chap4-1经典力学时空观

物理书都充满了复杂的数学公式。可是思想及理念，而非公式，才是每一物理理论的开端。

－－爱因斯坦（1879—1955）《物理学的进化》比较广义相对论时空观实验检验伽利略变换洛仑兹变换绝对时空观狭义相对论时空观相对论动力学基础力学相对性原理狭义相对性原理光速不变原理对称性扩展广义相对性原理等效原理对称性扩展结构框图学时：狭义相对论8

广义相对论简介2难点：重点：狭义相对论的两条基本原理洛仑兹坐标变换狭义相对论时空观（“同时”的相对性、钟慢尺缩）质速关系，质能关系，能量与动量关系狭义相对论时空观广义相对论的两条基本原理时空的几何化，空间弯曲前言：相对论产生的历史背景和物理基础经典物理：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)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。

——约利致普朗克的信三大发现：1.电子：1894年，英国，汤姆孙

(因气体导电理论获1906年诺贝尔物理奖)2.X射线：1895年，德国，伦琴

1901年获第一个诺贝尔物理奖3.放射性：1896年，法国，贝克勒尔发现铀，居里夫妇发现钋和镭，共同获得1903年诺贝尔物理奖物理学还存在许多未知领域，有广阔的发展前景。两朵乌云：1.迈克尔孙—

莫雷实验的“零结果”2.黑体辐射的“紫外灾难”实验结果与理论不符相对论的思想基础：对称性观念物理规律不因人（参考系）而异，参考系变换应该是物理定律的对称操作。一切惯性系对物理定律等价——

狭义相对论惯性系和非惯性系对物理定律等价——

广义相对论爱因斯坦简介AlbertEinstein(1879.3.14-1955.4.18)德国犹太人，3岁才会说话1891年自学几何1895年自学微积分；参加瑞士苏黎士工业大学入学考试，语言、生物未过，没考上1896年考入苏黎士工业大学物理系，学的是师范1900年毕业，申请在母校做助教和中学教员的要求没有得到满足1901年2月21，取得瑞士籍1902年6月，在大学同学格罗斯曼父亲的帮助下被伯尔尼瑞士专利局临时录用为三级技术员1903年与大学时代女友结婚1904年9月转正1905年是他人生大丰收的一年：①3月17日《关于光的产生和转化的一启发性观点》获1921年诺贝尔物理学奖②4月《分子大小的新测定法》，博士论文，获母校博士学位③5月《处理悬浮在流体中的粒子的不规则运动》④6月《论动体的电动力学》⑤9月《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》E=mc2

核物理和粒子物理学的理论基础⑥12月《关于布朗运动的理论》年仅26岁的他在不到一年时间里，在量子论、相对论、分子运动论三个不同领域作了四项划时代意义的贡献。特别是他不在学术机关工作，完全靠业余时间进行研究，得不到任何物理学家的指导，简直是人类科学史上的一个奇迹。1906年4月晋升为二级专家1909年秋，辞职任母校理论物理学副教授1912年教授，把光量子用于光化学现象，建立了光化学定律1913年任柏林威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授1915年创立广义相对论，把几何学与物理学统一起来1916年发表一篇总结量子论发展的论文，把量子论同统计原理结合起来，并提出受激辐射理论，被誉为“激光之父”1917年，《根据广义相对论对于宇宙学所作的考察》提出了一个有限无界的宇宙模型，是现代宇宙学的开创性文献1924年，同印度物理学家玻色合作建立了玻色-爱因斯坦统计1933年10月，由于二战，迁居美国，受聘美国普林斯顿研究所教授。曾任美国总统的科学顾问综观他的一生，在狭义相对论、广义相对论、量子论、分子运动论、宇宙学、统一场论，六个领域都作出了巨大贡献，其中四个领域是开创者，是20世纪最伟大的科学家。一、伽利略变换K系系K系和K'系坐标轴相互平行,当O

和O'重合时，令t=t'=0K'系相对于K系沿+x

方向以速率

v匀速运动，§4.1力学相对性原理经典力学时空观K系

系坐标变换：或

坐标变换分量式：正变换逆变换速度变换：速度变换分量式：正变换逆变换加速度变换公式

在两相互作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定律具有相同的形式.二.力学相对性原理力学定律在一切惯性系中数学形式不变。理解：

体现对称性思想——

对于描述力学规律而言，一切惯性系彼此等价。

在一个惯性系中所做的任何力学实验，都不能判断该惯性系相对于其它惯性系的运动。伽利略对匀速直线运动船舱内现象生动描述一个参考系的描述另一参考系的描述变换或操作不同惯性系中的观察者所观测到的具体力学现象可以不同，但所观测到的力学规律相同物理实在物理实在的结构经典力学规律具有伽利略变换不变性，伽利略变换是经典力学的对称操作。伽利略变换中已经隐含了时空观念三、绝对时空观1.时间：用以表征物质存在的持续性，物质运动、变化的阶段性和顺序性。2.空间：用以表征物质及其运动的广延性3.绝对时空观

时间间隔、空间距离的测量与参考系的选择无关。

时间、空间彼此独立，而且与物质、运动无关。先验框架坐标变换：四、伽利略变换的困难1.速度合成率的问题（1）两位同学玩排球球投出前结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.

试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间.(根据伽利略变换)球投出后宋朝宋仁宗1054年（北宋至和元年）五月一次著名的超新星爆发，前23天非常亮，白天可见，随后变暗，直到嘉佑元年（1056年3月）才看不见，历时22个月。这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。物质飞散速度l=5000

光年AB当一颗恒星在发生超新星爆发时,它的外围物质向四面八方飞散,即有些抛射物向着地球运动，现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问。（2）超新星爆发理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约

A

点光线到达地球所需时间B

点光线到达地球所需时间2.伽利略变换不是经典电磁定律的对称操作

因速度与参考系有关，所以经伽利略变换后洛仑兹力将发生变化，经典电磁定律不具有伽利略变换的不变性。（1）带电粒子受力：洛仑兹力电场力洛仑兹力：垂直于决定的平面q(2)Maxwellequations按照旧理论，电磁学只在一个特殊参考系中成立3.加速器加速粒子达不到c电子荷质比e/m与速度有关，e与速度无关，m与v有关相对性原理的普遍性（对称性）伽利略变换（经典力学）电磁学定律三者无法协调4.解决困难的途径：方案一：否定相对性原理的普遍性，承认惯性系对电磁学定律不等价，寻找电磁学定律在其中成立的特殊惯性系。方案二：重新定位伽利略变换，改造经典力学，寻求对电磁理论和改造后的力学定律均为对称操作的“新变换”。方案一的尝试：寻求特殊惯性系“以太”（迈克尔逊-莫雷实验）大海中轮船激起波浪的速度只与洋流的速度有关，而与轮船的速度无关类比：也许光在某种“海洋”中传播，它的速度只取决于“海洋”的性质，同光源的速度无关，“海洋”叫做以太，地球相当于轮船假设：“以太”充满整个宇宙，起着光传播媒介的作用，我们看不见，也不能用其他方式感知它，有极大的刚性，使光速高达3×108m/s同时又要求它对运动物体不施加任何阻力，相对于以太的运动成为“绝对”运动在以太参考系K系：光沿各个方向的速率均为c，设地球相对以太以v运动在地球参考系K'系：沿v方向传播的光速为c-v，逆着v方向的光速为c+v，垂直v方向的光速为但光速很大，即使不同方向的光速是不同的，我们很难测量出来，该实验的巧妙之处不在于测量不同方向的光速值，而是测量不同方向的光速之差。在地球上应存在“以太”风，类似人在雨中跑感觉有风

迈克尔孙干涉仪M2M1M2'G2G1单色光源反射镜1反射镜2补偿玻璃板半透明镀银层12以太风

迈克尔孙-莫雷实验目的：检测“以太风”以太风由伽利略变换光对仪器仪器对以太光对以太将装置转动90度干涉条纹应移动：反复实验，“零结果”只能选方案二爱因斯坦的选择来自坚定的信念：

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。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。“爱因斯坦把方法倒了过来，他不是从已知的方程组出发去证明协变性是存在的，而是把协变性应当存在这一点作为假设提出来，并且用它演绎出方程组应有的形式。”

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洛仑兹（荷兰.1853－1928）“我尊敬的迈克尔孙博士，您开