《狭义相对论》教学课件

1、狭义相对论第十三 讲第1页，共82页。本章研究的问题: 在两个惯性系中考察同一物理事件通常：实验室参考系 定为S系运动参考系 定为S系运动是相对的，在研究运动相对性问题时，认识到了参考系的概念。第2页，共82页。1.伽利略相对性原理从“三大守恒定律”到“牛顿运动定律”，完成了“经典力学”的构建。几乎可以用来解释所有宏观、低速运动现象。正如欧几里德几何建立在几条基本假设的基础上，“经典力学的大厦”建立在“伽利略时空观”的假设上。第3页，共82页。 经典时空观中时间与空间都是绝对的，彼此无关。1.长度不变，2.时间不变，3.速度相加，4.绝对同时性，5.质量不变，6.惯性系中所有力学规律相同。伽利

2、略经典时空观第4页，共82页。伽利略相对性原理摘自关于哥白尼和托勒玫两大世界体系的对话在一个匀速运动的参考系中，用任何实验都无法测量出参考系本身的速度。即：无法感知参考的运动。力学规律对所有惯性系平权力学规律在所有惯性系中有同样的表达形式。伽利略相对性原理第5页，共82页。之后的研究都是限于应用这些基本规律解决具体问题。实施方法：牛顿运动定律经典力学规律：建立在伽利略时空观上的动力学量的守恒条件的规范。伽利略坐标变换一个参照系静止- S 系，另一个参照系沿 ox 轴以 v 运动- S 系，时两坐标重合t 时刻质点在两参照系下的坐标第6页，共82页。第7页，共82页。动参考系作任意方式运动（选学

3、）动参考系S相对于静参考系S的运动： 平动绕某根轴转动1）某点相对于S静止。研究其相对S系的运动情况。2）某点相对于S系匀速运动。3）某点相对于S系作任意运动。结论：绝对速度=相对速度+牵连速度第8页，共82页。经典物理：伽利略时期 19世纪末 经过300年发展，到达全盛的“黄金时代”形成三大理论体系1.机械运动：以牛顿定律和万有引力定律为基础的 经典力学2.电磁运动： 以麦克斯韦方程组为基础的经典电磁学3.热运动： 以热力学定律为基础的宏观理论(热力学) 以分子运动为基础的微观理论(统计物理学)2.相对论产生的历史背景第9页，共82页。物理学家感到自豪而满足，两个事例： 在已经基本建成的科学

4、大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。也就是在测量数据的小数点后面添加几位有效数字而已。 开尔芬（1899年除夕） 理论物理实际上已经完成了，所有的微分方程都已经解出，青年人不值得选择一种将来不会有任何发展的事去做。 约利致普朗克的信第10页，共82页。但是好景不长，在物理学晴朗的天空上出现了两朵乌云，量子理论诞生相对论诞生黑体辐射实验迈克尔逊干涉仪实验开耳文勋爵在一篇于1900年发表的瞻望二十世纪物理学发展的文章中也说：“在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只需要做一些零星的修补工作就行了”，不过他还不愧为一名确有远见卓识的物理学家，因为他接着又指出：“但是在物理晴朗天空的

5、远处，还有两朵小小令人不安的乌云”，一个是热辐射现象中的紫外灾难，另一个是否定绝对时空观的迈克尔逊-莫雷实验，正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。第11页，共82页。基本假设：光是波动；光在“以太”中以速度c传播；“以太”相对太阳静止；光的传播速度遵循伽利略变换。实验设计：干涉仪转90，观测干涉条纹是否移动？实验结果：条纹无移动(零结果)。以太不存在，光速与参考系无关。干涉条纹地球公转迈克尔孙-莫雷实验的“零”结果实验目的：以太为S系，地球为S系，已知地球的牵连速度和光的绝对速度，可求出光相对地球的速

6、度，从而预测出干涉实验结果。第12页，共82页。地球公转干涉仪转90后按照伽利略速度变换，时间间隔变成第13页，共82页。干涉仪转90引起时间差的变化为由干涉理论，时间差的变化引起的移动条纹数对于但实验值为以太不存在，光速与参考系无关。该结果说明什么问题呢？第14页，共82页。 “还在学生时代，我就在想这个问题了。我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得出结论：如果我们承认麦克尔逊的零结果是事实，那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。” 爱因斯坦对麦克尔逊莫雷实验的评价：第15页，共82页。16电磁学理论给出真空中电磁波的传播速度为麦克斯韦电磁理论的结论光速

7、不变原理其中 和 都是与参考系无关的常数。 真空中光速与参考系无关（即与光源的运动和观察者的运动无关），不服从伽利略变换。修改电磁学定律，还是修改伽利略变换？电磁学定律：实验验证是正确的伽利略变换：适用于低速情况。高速情况？爱因斯坦认为：修改伽利略变换!第16页，共82页。第17页，共82页。阿尔伯特爱因斯坦（AlbertEinstein）1879年3月14日出生在德国西南距离慕尼黑八十五哩的乌耳姆城(Ulm)。父母都是犹太人。父亲赫尔曼爱因斯坦和叔叔雅各布爱因斯坦合开了一个制造电器设备的小工厂。母亲玻琳是受过中等教育的家庭妇女，非常喜欢音乐，在小爱因斯坦六岁时就教导他拉小提琴。这是一个和睦、

8、愉快的家庭。亲人们深爱着小爱因斯坦，但都为他的智力发育感到担忧。爱因斯坦小时候并不活泼，三岁多还不会讲话，父母很担心他是哑巴，带他去给医生检查。还好小爱因斯坦不是哑巴可是直到九岁时讲话还不很通畅，所讲的每一句话都必须经过吃力但认真的思考。小爱因斯坦是一个诚实的孩子，从不做违心的或骗人的事。第18页，共82页。在四、五岁时，爱因斯坦有一次卧病在床，父亲送给他一个罗盘。当他发现指南针不断地指着固定的方向时，感到非常惊奇，觉得一定有什么东西深深地隐藏在这现象后面。他一连几天很高兴的玩这罗盘，还纠缠着父亲和雅各布叔叔问了一连串问题。尽管他连“磁”这个词都说不好，但他却顽固地想要知道指南针为什么能指南。

9、这种深刻和持久的印象，爱因斯坦直到六十七岁还能鲜明的回忆出来。爱因斯坦在念小学和中学时，一般功课属平常，唯有数学成绩远在全班同学之上。由于他举止缓慢，不爱同人交往，老师和同学都不喜欢他。第19页，共82页。 爱因斯坦对于科学事业的伟大贡献是多方面的。他不仅仅是相对论的创始人，而且是一位多学科的理论研究家。即使他不是相对论的创始人，他仍然是科学史上最伟大的物理学家之一。他的科学业绩主要包括四个方面：早期对布朗运动的研究；狭义相对论的创建；推动量子力学的发展；建立了广义相对论，开辟了宇宙学的研究途径。1905年创建的狭义相对论和1921年创建的广义相对论是爱因斯坦的最重要的科学研究成果，而1921

10、年的诺贝尔物理学奖金则是由于他提出了光的量子概念和发现了光电效应定律而获得的。列宁高度称誉他是一位伟大的自然科学革新家。 第20页，共82页。1905年，26岁的爱因斯坦一年里在著名的物理学杂志上发表了4篇论文，涉及3个不同的领域。关于光的产生和转化的一个试探性观点提出光量子概念，解释了光电效应热的分子动理论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动讨论了布朗运动的理论，确证原子的真实存在论运动物体的电动力学阐述了狭义相对论，掀起了时空观的革命。物体的质量同它所含的能量有关吗？质能方程第21页，共82页。1.相对性原理所有惯性参照系中物理规律都是相同的。2.光速不变原理 在所有惯性系中，光在真空中的速率

11、相同，与惯性系之间的相对运动无关，也与光源、观察者的运动无关。爱因斯坦坚信：自然的设计是对称的，不仅力学规律在所有的惯性系中有相同的数学形式，所有的物理规律都应与惯性系的选择无关。 2.相对论基本假设和洛伦兹变换实验结果说明，在所有惯性系中，真空中的光速恒为c ，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，必须寻找新的变换，建立新的时空观。相对论基本假设 光速不变原理和爱因斯坦相对性原理所蕴含的时空观，应该由一个时空变换来表达。早在1899年，洛仑兹就给出了惯性系间的时空变换式，即洛仑兹变换。第22页，共82页。这个公式洛仑兹1904年在爱因斯坦发表相对论之前就推导出来，他已经走到了相

12、对论的边缘，但是由于受到根深蒂固的绝对时空观的影响，面对已发现的相对时空表示式，没有从中找到正确的物理含义。他说 t 是真正时间，t 是辅助量，仅为数学方便而引入的。洛仑兹到 1909 年还不能使自己完全相信相对论，他说：“在今天很多人提出了与昨天他们说的话完全相反的主张，我不知道科学是什么了，为怨恨自己不能在 500 年前死去，在他逝世前一年（1927 年）他更肯定地说，对于他只有一个真正时间 t 。 1905年，爱因斯坦则在全新的物理基础上得到这一变换关系。洛伦兹变换第23页，共82页。 事件：任意一个具有确定的发生时间和确定的发生地点的物理现象。1）事件和时空变换 如，“一个粒子在某一时

13、刻出现在某一位置”就是一个事件，粒子出现的时刻和位置就构成了该事件的时空坐标。 在讨论时空的性质时，我们总是用事件的时空坐标，或用事件的时空点来代表事件，而不去关心事件的具体物理内容，即不去关心到底发生了什么事情。 一个事件发生的时间和地点，称为该事件的时空坐标。第24页，共82页。当uc，伽利略变换 修正后：SuS同一事件：要求 时：系系2） 洛仑兹坐标变换第25页，共82页。因此，有系和系是惯性系，等价即由相对性原理:由光速不变原理确定的形式:第26页，共82页。于是，得第27页，共82页。由式 ，解出即得洛仑兹因子用式 代入，得因要求 时 ，则取 第28页，共82页。设，洛仑兹变换可写成

14、因S 系和S系只是在x (x)轴方向上做相对运动，则有 第29页，共82页。或写成第30页，共82页。伽利略变换（绝对时空）洛仑兹变换（相对论时空 ）伽利略变换是洛仑兹变换的低速近似：第31页，共82页。两事件的空间量度两端坐标差同理得：第32页，共82页。两事件的时间量度两时刻差同理第33页，共82页。上下同除 t 有 洛仑兹速度变换第34页，共82页。同理S系中第35页，共82页。爱因斯坦列车 由于光速不变，在S系中不同地点同时发生的两个事件，在S系中不再是同时的了。 在列车中部一光源发出光信号，在列车中 AB 两个接收器同时收到光信号， 但在地面来看，由于光速不变，A 先收到，B 后收到

15、 。“同时”的相对性3.相对论测量效应第36页，共82页。在 S 系中不同地点同时发生的两事件由在 S系中相同地点同时发生的两事件，在 S 系中这两个事件不是同时发生的。在 S 系中这两个事件是同时发生的。第37页，共82页。几点说明：. 在 S 系中不同地点同时发生的两事件，在 S 系中这两个事件不是同时发生的。.在 S 系中相同地点同时发生的两事件，在 S 系中这两个事件是同时发生的。.当 vmc2，粒子的静能）解: 简单反应，应用动量、能量守恒计算第75页，共82页。1）靶静止情况为资用能，为浪费掉了。碰撞前：EkM0复合粒子m0Ekm0碰撞后：应用动量、能量守恒：得到资用能（ Ekm0

16、c2 ）：第76页，共82页。2）对撞情况M0m0EkEkm03）对撞比靶静止更有效资用能：第77页，共82页。 欧洲核子中心（CERN）用270Gev质子轰击静止质子（mc2 1Gev）,资用能仅为： 1982年改为用270Gev质子-反质子对撞，资用能增大到相当于静止靶情况的23倍，有利于产生新粒子。 因此，在这台对撞机上发现了W和Z0粒子，证实了弱电统一理论。(C.Rubbia, S.van der Meer, 1984 诺贝尔物理学奖)第78页，共82页。欧洲核子中心CERN第79页，共82页。 宇宙诞生后的百万分之几秒内，曾存在一种“夸克-胶子等离子体”物质。在夸克-胶子等离子体中，夸克和胶子等基本粒子处于自由状态。它们随宇宙的冷却结合成质子和中子等亚原子粒子，后者又形成原子核，最终产生原子以及今天的宇宙万物。 美国布鲁克海文国家实验室（BNL）通过金原子核对撞，试图获得夸克-胶子等离子体，并宣布找到了这种