狭义相对论课件

本章题头狭义相对论第五章ofrelativityspecialtheorychapter6chapter5狭义相对论

本章的基本问题:1、经典时空观的内容是什么?2、爱因斯坦为什么要提出新时空观？

3、新时空观又有那些内容？

4、根据新时空观可以推出哪些重要结论？狭义相对论

经典时空观认为时间和空间是独立变化的参量，时间和空间的测量与观察者的运动没有关系。时间、空间、运动在经典时空中是分割的，没有体现出他们的联系,质量是和运动无关的常量。ssss5.1历史背景历史背景1、经典时空观的内容是什么?不同参照系中时间间隔和空间隔分别相等在两个惯性参考系（相互为匀速直线运动的参考系）S’和S中观察两个物理事件的时间间隔和空间间隔：狭义相对论谁是谁非如：牛顿定律力学规律fma在系观察s在系观察sfmama

在一切惯性系中，力学规律相同。称为伽利略相对性原理电磁学规律若处有两个电荷p对系，电荷间的相互作用

为静电力。s对系，是两个运动电荷，还有磁力作用。

s规律不相同若处有一光源，迎着

发射光波（电磁波）pv对s,光速uc对s,cucv光速+无实验根据自洽不自洽？？？谁是谁非难以判断伽利略变换rtvttrruddtuv2addtr2assvprrvtOO狭义相对论有一对带正电的粒子在实验室中静止，其间距为d，实验室中静止的观察者看来，每个粒子受到一个电斥力，没有磁力存在，另一个以速度向右匀速运动的观察者看来，每个粒子相对他在运动，因此它们之间除了电斥力外，还应有相互吸引的磁力。如果作用在q’上的合力，对两个观察者而言是相同的，那么，因为

电斥力一定比大；若进一步认为电荷是不变的，则两个观察者看到的电场必定不相等。狭义相对论经典时空观失败2伽利略变换在光现象中失败、19世纪末，麦克斯韦建立了电磁场理论,并预言电磁波的存在,证明了电磁波在真空中3以光速ms1c108传播.按伽利略变换的观点,在两个相对运动的参考系KK和中测得的真空光速是不同的cc+uucKKKucKccu爱因斯坦对此问题作了深入研究,大胆抛弃经典时空观,提出了两条假说,作为狭义相对论的两条基本原理伽利略变换在解释当时许多重要的光现象中失败例如著名的天文现象观测(如双星运行周期观测)企图寻找以太的精密光学干涉实验(迈克耳孙-莫雷实验)按伽利略变换计算的周期与实际观测结果不符.也从来没有观测到伽利略变换预言的亮弧现象.按伽利略变换计算干涉条纹会发生移动.但一年四季反复精密观测,没有观测到预期的干涉条纹移动.,,,,狭义相对论迈-莫实验以太光对地球u光对以太c地球对以太vc+v2cv2cv2cv2cs

若能用实验证明光波对地球的相对运动符合上述规律，则地球对以太的绝对运动将被证实，“以太”观点成立。u迈克耳孙设计了一种检验方法

根据“以太”观点，充满宇宙的“以太”是一切运动的绝对参考系。

光波靠“以太”传播，光对“以太”的绝对速度为

。c若在地球上固定一光源，s按伽利略的速度合成法则，地球对以太的绝对运动必满足：cu+v或ucv迈克耳孙莫雷实验寻找“以太”失败实例R狭义相对论

若能用实验证明光波对地球的相对运动符合上述规律，则地球对以太的绝对运动将被证实，“以太”观点成立。u迈克耳孙设计了一种检验方法：

根据“以太”观点，充满宇宙的“以太”是一切运动的绝对参考系。

光波靠“以太”传播，光对“以太”的绝对速度为

。c若在地球上固定一光源，s按伽利略的速度合成法则，地球对以太的绝对运动必满足：cu+v或ucv迈克耳孙莫雷实验寻找“以太”失败实例以太光对地球u光对以太c地球对以太vc+v2cv2cv2cv2cs续8v地球c光对以太v地球对以太光对地球us底盘1镜2镜玻片O11m臂长l=

590nm迈克耳孙干涉仪cv+cv2cv22cv2观察记录干涉条纹迈克耳孙莫雷实验假如存在“以太”，的u大小必与传播方向有关。绕中心O转动干涉仪，两臂光程差必改变，干涉条纹必有移动。干涉仪转过90°，两臂位置取向互换，光程差改变达极大，条纹移动量亦达极大。相对速率若“以太”观点成立，预期有0.4根条纹移动量。（仪器的灵敏度，可判断0.01根条纹的移动量）。30km/s地球绝对速度属假设。在估算

干涉条纹移动量时用地球的公转速度

。这并不影响实验原理。实测结果

经过不同季节、不同时间的反复仔细观测记录，没有发现预期的条纹移动。在历史上曾被称为有关寻找“以太”著名的“零结果”。寻找“以太”失败实例地球s底盘1镜2镜玻片O迈克耳孙干涉仪cv+cv2cv22cv2观察记录干涉条纹相对速率地球s底盘1镜2镜玻片O11m臂长l=

590nm迈克耳孙干涉仪cv+cv2cv22cv2观察记录干涉条纹相对速率狭义相对论双星周期的测量:•伴星B绕A,B的质心旋转。按伽利略变换地球S上测得双星的半周期在伽利略变换下应为狭义相对论•因此测全周期应为！？伽利略变换值得怀疑！如果认为光速与光源（或接收器）是否运动没有关系，问题便得以解决。若直接测全周期双星周期的测量再一次证实了光速不变性，肯定了伽利略变换式必须修改！狭义相对论面对电磁学规律不满足伽利略相对性原理有三条路1)坚持经典时空观,但对电磁学规律进行修正发射假设2)伽利略变换作修正洛仑兹:收缩假设3)建立全新的时空观爱因斯坦:狭义相对论拖带理论:为解释迈克耳逊干涉实验的结果,有人提出,由于以太很轻,所以地球在自转时带着以太一起运动,因而它们相对静止,所以观察不到相对以太的运动.拖带理论发射假设:有人提出光相对于光源的速度是c,由于光源随地球一起运动,并与仪器相对静止,所以只能观察到光速=c.收缩假说:为解释迈克耳逊干涉实验的结果,而又保留以太说,洛仑兹于1892年提出收缩假说,他假定在相对于以太运动的方向上,物体的长度会收缩,收缩的比例因子是,这样一来,在迈克耳逊干涉实验结果就可以得到解释。3、爱因斯坦为什么要提出新时空观？狭义相对论理论光学实验其它实验

固定以太理论

OOOOOOOOV相对于光源=c

OOOO

太阳光源迈克尔孙实验双星运行周期的观察运动的光源和反射镜现象肯尼迪-桑戴克实验迈克尔孙实验斐索运流实验光行差现象永磁体单极感应实验高速介子衰变实验运动电荷辐射实验普遍的质能相当实验质量随速度变化实验以太理论以太附着在有质物体上的理论(拖拽)发射理论V反相对反射镜=cV反相对于光源的象=c狭义相对论

OOOOOOOOOO狭义相对论爱因斯坦说过，我的理论被证实过一万次也不能证明这个理论是正确的，相反，只要有一次发现是错误的，那就足以证明这个理论是错误的。狭义相对论世界上最大的机器：“大型强子对撞机”不仅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的机器。它位于瑞士、法国边境地区地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里。地球上最快的“轨道”：如果“开足马力”，数以百万计的粒子将在环形隧道内以每秒11245圈的速度“狂飙”，约等于光速的99.99%。狭义相对论设在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心2010年30日宣布，当今世界最大粒子加速器（LHC），由CERN控制的大型强子对撞机３０日成功地让两束质子束流对撞，并获得7万亿电子伏特的能量，这是迄今最高能量的质子束流对撞试验。本次试验用于模拟１３７亿年前宇宙大爆炸之后的最初状态，实验的成功将有助于科学家进一步研究宇宙的起源。

2vc1()m0c20mc2为什么需要如此大的能量？------这是源于相对论的公式：狭义相对论狭义相对论英国《自然》杂志网站2011年9月22日报道,欧洲研究人员发现了难以解释的中微子超光速现象,这一现象违背了爱因斯坦相对论,研究人员目前对此持谨慎态度,希望全球科学家能共同探究原因。据报道,意大利格兰萨索国家实验室下属的一个名为OPERA的实验装置接收了来自著名的欧洲核子研究中心的中微子,两地相距730公里,中微子“跑”过这段距离的时间比光速还快了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。参与实验的瑞士伯尔尼大学的安东尼奥伊拉蒂塔托说,他和同事被这一结果震惊了,他们随后反复观测到这个现象1.6万次,并仔细考虑了实验中其他各种因素的影响,认为这个观测结果站得住脚,于是决定将其公开。修改相对论？狭义相对论北京时间2012年2月23日消息，据美国《科学》杂志报道，2011年9月在意大利进行的OPERA实验宣称发现中微子速度超过光速。然而，这一“惊人发现”似乎因一个错误导致，罪魁祸首可能是GPS装置与电脑之间“接触不良”。

据熟悉此项实验的消息人士透露，提前60毫微秒似乎由连接GPS接收器(用于校正中微子飞行时间)的光缆与电脑内电子卡之间出现的接触不良所致。在测量数据穿行光缆长度所用时间时，研究人员发现数据所用时间比预计提前60毫微秒。由于这一时间从总用时中扣除，似乎能够解释中微子为何早到。不过，科学家仍需新数据证实这种假设。

狭义相对论两个基本假设1、相对性原理2、光速不变原理1905《论动体的电动力学》

对所有惯性系，

光在真空中的速率

物理规律都是相同的。

在任何惯性系中，

都等于同一量值c

。爱因斯坦爱因斯坦AlberEinsteinAlberEinstein1879-19551879-1955狭义相对论的两个基本原理狭义相对论的两个基本原理ssss5.2狭义相对论在一切惯性系中，所有的物理规律都是相同的。1.(1)爱因斯坦相对性原理不论通过力学,电磁还是其它现象,都无法觉察到所处的参考系的任何“绝对运动”一切相互之间做匀速直线运动的参考系都是等价的。不存在任何一个特殊的惯性参照系。等价表述狭义相对论“在任何惯性系中光在真空中沿任何方向的速率都相等”,并与光源运动无关.(2)光速不变原理光速不变原理的数学表达式：O、O’重合时发出光信号并开始计时。R狭义相对论洛仑兹变换洛仑兹变换洛仑兹变换ssss5.3

光到达B为事件2设：光到达A为事件1,对：两事件同时发生，对：两事件非同时发生。ss即

“同时”是相对的。（与惯性系有关）根据爱因斯坦的光速不变原理，不论对或光速都一样。ss故s看到：闪光同时到达A、B壁。看到：闪光先到达B壁，后到达A壁。s一、的假设是否仍然成立？tttt,trtr,,则rxrx如何变换？crxtrrxtr即而sOABsvOXcc(中点）X动画狭义相对论

光速不变的实质是全新的时空观:1.时间和空间与物质运动密切相关.2.时间间隔随惯性系而异.时间是相对量.3.空间间隔随惯性系而异.空间是相对量.tt,trtr,,则rxrx如何变换？crxtrrxtr即而狭义相对论模型在约定惯性系中进行某一事件的时空坐标变换sXYZPOsXYZOvss()txyz,,,()txyz,,,相对沿方向以匀速运动svXsyyzzyz方向均无相对运动,现推导有相对运动的X方向的时空坐标变换式：OO重合开始计时tt0约定惯性系二、洛仑兹时空坐标变换式狭义相对论变换式推导求待定系数gcttvx()gctv()xgt+)ttc2g2(c2v2tt得gc2c2v211()vc2则txcgtvx()cg(tcv2x)及tg(tcv2)+x线性变换相对性原理xtvx()gxv()xgt+对任一事件，变换式均应满足ssOO若在重合时原点处沿OX方向发分别观察此光信号光速不变原理xctxct出一光信号，传播到达的X坐标和时间关系应满足：推导OO重合开始计时vsXs相对沿方向以匀速运动sYZOXsXYZOvPss()txyz,,,()txyz,,,yzyztt0t'=

（t+hx）（1）t=

（t’-hx）（2）狭义相对论时空坐标变换式vcg12vc0则变为虚数，时空变换式无实际意义。vcg时空不可分割高低速兼容物体不能超光速变换式揭示了时、空是相互依赖的。当时，，且，回到伽利略变换式。结果xtvx()gxv()xgt+yyzztg(tcv2x)tg(tcv2)+xyyzzg11()vc2或写成其中g11vc2bb,

洛仑兹时空坐标变换时空坐标平权

具有对称性狭义相对论洛仑兹时空坐标变换与光速不变的逻辑关系光速不变原理xctxctxtvx()gyyzztg(tcv2x)g11()vc2其中所以：x’=ct’;x=ct也适用于任何物理过程适用于任何物理过程？？？xtvx()gyyzztg(tcv2x)适用于任何物理过程包括光传播过程同时也包括了其他物理过程。在推导洛伦兹变换过程中，需要确定待定系数

，于是只是借用光速传播这个特殊过程，来确定

，并不意味着其他物理过程也必须满足x’=ct’;x=ct狭义相对论两个物理事件的时空间隔:1)已知S’求S:2)已知S求S’:xtvx()gxv()xgt+yyzztg(tcv2x)tg(tcv2)+xyyzz狭义相对论关联事件g1xu(1xt1(2xgu((2xt2t12cg(t1u1x(t2g(2cu(t22x1g1(uc(2uc1gSStr0tr0tr0xr0xr0xr0rt0rt0rt0rt0rx0rx0rx0rx0同时同时同地异地同地异时异时异地同时同地异时异地异时异地要看具体条件而定tt((0tt((0这是物质运动速度及信号传播速度不能大于光速的必然结果(后面还要讨论).对于有因果关系的关联事件（如：发送与接收，出生与死亡，栽种与收获等）必有及因果果因1x2x((g(2x1x(u(t2t1(((g((t2t1t2t12x1xu((2cxrg(rxurt(trg(rxurt(2c两事件的空间间隔两事件的时间间隔只从数学关系分析狭义相对论例

解法提要((g((t2t1t2t12x1x((v2c0642.24×108(m/s)11(vc(2v解得例在约定系统中发生的两个事件，若系测得其K时间间隔为4秒，在同一地点发生；系测得K其时间间隔为秒，则相对于的运动速度6KK大小为米/秒。狭义相对论A先向B开枪，过了12.5ns，B才向A开枪，因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的，假如你是车中的乘客你看见的情况是怎样的？例、一列高速列车以0.6C的速度沿平直轨道运动,车上A、B两人距离L