力学相对性原理,伽利略变换和经典力学时空观

1、阿尔伯特阿尔伯特. .爱因斯坦爱因斯坦(1879-1955)前言前言:相对论产生的历史背景和物理基础相对论产生的历史背景和物理基础经典物理经典物理:伽利略时期伽利略时期 19世纪末世纪末(1900年以前年以前) 经过经过300年发展年发展,到达全盛的到达全盛的“黄金时代黄金时代”形成三大理论体系形成三大理论体系 1机械运动机械运动:以牛顿定律和万有引力定律为以牛顿定律和万有引力定律为 基础的基础的 经典力学经典力学2电磁运动电磁运动:以麦克斯韦方程组为基础的经典以麦克斯韦方程组为基础的经典电磁学电磁学3热运动热运动:以热力学定律为基础的宏观理论以热力学定律为基础的宏观理论(热力学热力学);以分

2、子运动为基础的微观理论以分子运动为基础的微观理论(统统计物理学计物理学)物理学家感到自豪而满足物理学家感到自豪而满足,两个事例：两个事例： 在已经基本建成的科学大厦中在已经基本建成的科学大厦中,后辈物理学家后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了只要做一些零碎的修补工作就行了.也就是在测也就是在测量数据的小数点后面添加几位有效数字而已量数据的小数点后面添加几位有效数字而已. 开尔文（开尔文（18991899年除夕）年除夕） 理论物理实际上已经完成了理论物理实际上已经完成了,所有的微分方所有的微分方程都已经解出程都已经解出,青年人不值得选择一种将来不青年人不值得选择一种将来不会有任何发展的事去

3、做会有任何发展的事去做. 约利致普朗克的信约利致普朗克的信两朵乌云：两朵乌云：1 迈克尔孙迈克尔孙 -莫雷实验的莫雷实验的“零结果零结果”2 黑体辐射的黑体辐射的“紫外灾难紫外灾难”实验结果与实验结果与理论不符理论不符三大发现：三大发现：1. 电子电子:1894年年,英国英国,汤姆孙汤姆孙 因气体导电理论获因气体导电理论获1906年诺贝尔物理奖年诺贝尔物理奖2.X射线射线:1895年年,德国德国,伦琴伦琴 1901年获第一个诺贝尔物理奖年获第一个诺贝尔物理奖3.放射性放射性:1896年年,法国法国,贝克勒尔发现铀贝克勒尔发现铀,居里夫居里夫妇发现钋和镭妇发现钋和镭,共同获得共同获得1903年诺

4、贝尔物理奖年诺贝尔物理奖物理学还存在许多未知领域物理学还存在许多未知领域, ,有广阔的发展前景有广阔的发展前景. .两朵乌云两朵乌云暴风骤雨暴风骤雨20世纪初物理学危机世纪初物理学危机 物理学正在临产中物理学正在临产中,它孕育着的新理论将要它孕育着的新理论将要诞生了诞生了. 列宁列宁 相对论的思想基础相对论的思想基础:对称性观念对称性观念 物理规律不因人物理规律不因人(参考系参考系)而异而异,参考系变换参考系变换应该是物理定律的对称操作应该是物理定律的对称操作.新理论新理论:相对论、量子力学相对论、量子力学深刻影响现代科技和人类生活深刻影响现代科技和人类生活 经典物理经典物理-牛顿力学、热力学

5、牛顿力学、热力学与统计物理学、麦克斯韦电磁理论与统计物理学、麦克斯韦电磁理论从时间上来分从时间上来分: 经典物理经典物理-1900年以前年以前近代物理近代物理-1900年以后年以后从内容上来分从内容上来分:近代物理近代物理-相对论和量子物理相对论和量子物理相对论：相对论： 狭义相对论适用于惯性系狭义相对论适用于惯性系广义相对论适用于非惯性系和引力场广义相对论适用于非惯性系和引力场18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学时空观 事件事件:空间某一点和时间某一时刻空间某一点和时间某一时刻发生的某一现象发生的某一现象(如如:两个粒子碰撞两个粒子碰撞,跳

6、水运动员起跳跳水运动员起跳) 18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观一一 伽利略变换伽利略变换x xy yuo oz z ss*) , , , (),(tzyxtzyxPx xtuz z yy 系相对于系相对于 系以匀速沿系以匀速沿 轴运动轴运动,观察观察两参照系中同一事件的时空关系两参照系中同一事件的时空关系. SSx重重合合与与当当0oottxxyzzoS 系系pturrS系系uyo18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观1 坐标变换分量式坐标变换分量式或或ttzzyyutxxtt

7、zzyyutxx正变换正变换逆变换逆变换或或turrturr18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观2 速度变换速度变换速度变换分量式：速度变换分量式：正变换正变换zzyyxxuvvvvvv 逆变换逆变换 zzyyxxuvvvvvvu vv矢量式矢量式u vv或或18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观3 加速度变换加速度变换aazzyxxuvvvvvvy由伽利略速度变换由伽利略速度变换zzaayyaaxxaa得得18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略

8、变换和经典力学时空观二二 力学相对性原理力学相对性原理 伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学规律在一切惯性系中数学形式不变力学规律在一切惯性系中数学形式不变 在一个惯性系中所做的任何力学实验在一个惯性系中所做的任何力学实验,都都不能判断该惯性系相对于其它惯性系的运不能判断该惯性系相对于其它惯性系的运动动. 体现对称性思想体现对称性思想 对于描述力学现象的对于描述力学现象的规律而言规律而言,一切惯性系彼此等价一切惯性系彼此等价.理解：理解：18.1 力学相对性

9、原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观牛顿第二定律牛顿第二定律在在S系中有系中有 力学规律是以牛顿定律为基础的力学规律是以牛顿定律为基础的,所以一所以一切力学规律在所有的惯性系中具有相同的数切力学规律在所有的惯性系中具有相同的数学形式学形式 amamF在在 中中S) (mm Fam18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观三三 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观(经典力学时空观经典力学时空观)1 时间的绝对性时间的绝对性设有两个事件设有两个事件 和和，1P2P21,tt:S21,tt: s11tt 22ttt

10、ttttt1212即时间是绝对的即时间是绝对的,与参考系无关与参考系无关18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观2 同时的绝对性同时的绝对性即同时是绝对的即同时是绝对的,与参考系无关与参考系无关 如在如在S系中两事件同时发生系中两事件同时发生,在在 系中来系中来观察也是同时发生的观察也是同时发生的 S0t0ttt 18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观3 空间间隔的绝对性空间间隔的绝对性 如测一根棒的长度如测一根棒的长度,假设棒静止在假设棒静止在 系中系中,沿沿x轴放置轴放置 S: S

11、21,xxS：21,xxt12xxllxxutxutxxxl121212)()(即空间间隔是绝对的即空间间隔是绝对的,与参考系无关与参考系无关18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观 (1) 牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观:时间、空间彼此独时间、空间彼此独立而且与物质、运动无关立而且与物质、运动无关. 绝对的、真正的和数学的时间自身在流绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着逝着,而且而且,由于其本性在均匀的由于其本性在均匀的,与任何其它与任何其它外界事物无关地流逝着外界事物无关地流逝着. 牛顿牛顿 绝对空间就其本质而言绝对空间就其本质而言

12、,是与任何外界事是与任何外界事物无关的物无关的,而且是永远相同和不动的而且是永远相同和不动的. 牛顿牛顿归纳归纳18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观 空间先于运动存在空间先于运动存在,是盛放物质的容是盛放物质的容器和物质运动的舞台器和物质运动的舞台. (2) 绝对时空观与人们日常生活经验和绝对时空观与人们日常生活经验和宏观低速条件下的实验结果相符合宏观低速条件下的实验结果相符合.但在高但在高速运动情况下则不适用速运动情况下则不适用.18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观四四 伽利略

13、变换的困难伽利略变换的困难 因速度因速度 与参考系有关与参考系有关,所以经伽利略变换所以经伽利略变换后洛仑兹力将发生变化后洛仑兹力将发生变化,经典电磁定律不具有伽经典电磁定律不具有伽利略变换不变性利略变换不变性.v带电粒子受力带电粒子受力:BqEqFv洛仑兹力洛仑兹力电场力电场力1 电磁现象不服从伽利略变换电磁现象不服从伽利略变换18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观 2 与高速运动与高速运动(光的传播光的传播)的实验结果不符的实验结果不符真空中的光速真空中的光速: c由经典电磁理论由经典电磁理论-1800sm1031 c与参考系选择无关

14、与参考系选择无关由伽利略变换由伽利略变换:速度与参考系选择有关速度与参考系选择有关.彼此矛盾！彼此矛盾！uuc)(uc地对车地对车光对地光对地光对车光对车vvv18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观对双星星光的观测对双星星光的观测,没有类似结果！没有类似结果！3 双星观察实验双星观察实验枪沿圆周平动枪沿圆周平动,相对枪以相对枪以恒定速率恒定速率 u 发射子弹发射子弹.观察者接收到的子弹密观察者接收到的子弹密度会呈周期性变化度会呈周期性变化枪对地枪对地弹对枪弹对枪弹对地弹对地vvv接接收收屏屏18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时

15、空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观光速与光发射体的运动无关光速与光发射体的运动无关,不遵从伽利略变换不遵从伽利略变换 对双星星光的观测对双星星光的观测,没有发现由于伽利略变没有发现由于伽利略变换引起的结果换引起的结果. 对对1054年超新星爆发光度衰变观测等实验年超新星爆发光度衰变观测等实验同样没有发现由于伽利略变换引起的结果同样没有发现由于伽利略变换引起的结果.双星双星:两颗绕共同质心做两颗绕共同质心做椭圆运动的恒星系椭圆运动的恒星系星星的华尔兹星星的华尔兹. .18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观相对性原理的普遍性相对性

16、原理的普遍性(对称性对称性)伽利略变换伽利略变换(经典力学经典力学)电磁学定律电磁学定律三者无法协调三者无法协调解决困难的途径解决困难的途径: 1 否定相对性原理的普遍性否定相对性原理的普遍性,承认惯性系对承认惯性系对电磁学定律不等价电磁学定律不等价,寻找电磁学定律在其中成立寻找电磁学定律在其中成立的特殊惯性系的特殊惯性系. 2 改造电磁学理论改造电磁学理论,重建具有对伽利略变换不重建具有对伽利略变换不变性的电磁学定律变性的电磁学定律.18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观 3 重新定位伽利略变换重新定位伽利略变换,改造经典力学改造经典力

17、学,寻求对电磁理论和改造后的力学定律均为寻求对电磁理论和改造后的力学定律均为对称操作的对称操作的“新变换新变换” 1、2、无一例外遭到失败无一例外遭到失败,爱因斯坦选爱因斯坦选择择 3、取得成功、取得成功18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观爱因斯坦的选择来自坚定的信念爱因斯坦的选择来自坚定的信念: 自然的设计是对称的自然的设计是对称的,不仅力学规律在所不仅力学规律在所有的惯性系中有相同的数学形式有的惯性系中有相同的数学形式,所有的物理所有的物理规律都应与惯性系的选择无关规律都应与惯性系的选择无关. 实验结果说明实验结果说明,在所有惯性系

18、中在所有惯性系中,真空中的真空中的光速恒为光速恒为c ,伽利略变换以及导致伽利略变换伽利略变换以及导致伽利略变换的牛顿绝对时空观有问题的牛顿绝对时空观有问题,必须寻找新的变换必须寻找新的变换,建立新的时空观建立新的时空观.18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观 “爱因斯坦把方法倒了过来爱因斯坦把方法倒了过来, ,他不他不是从已知的方程组出发去证明协变性是从已知的方程组出发去证明协变性是存在的是存在的, ,而是把协变性应当存在这而是把协变性应当存在这一点作为假设提出来一点作为假设提出来, ,并且用它演绎并且用它演绎出方程组应有的形式出方程组应有的形式.”.” 洛仑兹洛仑兹18.1 力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观力学相对性原理、伽利略变换和经典力学时空观爱因斯坦爱因斯坦1931年会见年会见迈克尔孙迈克尔孙“我尊敬的我尊敬的迈克尔孙博士迈克尔孙博士,您开始工作时您开始工作时,我我还是个孩子还是个孩子,只有只有1 1米高米高,正是您将