13-2 狭义相对论的基本假设和时空观

狭义相对论基础（SpecialRelativity）第十三章一、狭义相对论的两条基本假设1.相对性原理—对一切彼此相对作匀速直线运动的惯性系，描述运动的一切规律都是等价的。注意：这一原理实际上是伽利略力学相对性原理的推广，它不仅包含力学现象，而且包括一切其它的物理现象。或：在一切惯性系中，物理定律都具有相同的形式。§13-2狭义相对论的基本原理和时空观（BasicprincipleofspecialrelativityandViewofTimeandSpaceoftheSpecialRelativity

)2.光速不变原理光速不变原理——真空中的光速相对任何惯性系，沿任意方向恒为c，且与光源的运动状态无关。也就是说任何惯性系去测量光速都是c，与光源及参照系的运动无关。光速为c光速为ccX'Xc=299792458m/sccSS'M

'A'B'假设一辆车向右运动，A'、B'处分别放置一光信号接收器，中点M'处放置一光信号发生器。S'：固定在车上的参考系观察t=t'=0

时,M'发出一光信号A'

、B'同时接收到光信号即S':1、2两事件同时发生事件1：A'接收到光信号事件2：B'接收到光信号1.同时性的相对性二、狭义相对论的时空观接收到光时，A'迎着光走过一段距离

、B'远离光

走过一段距离。S'ccSM闪光发生在M处，光速仍为

c，而这时，A'

、B'处的接收器随S'运动。A'比

B'早接收到光信号1事件先于2事件发生S'ccSAMB事件2发生事件1发生S'ccSMAS：地面参考系观察(2)同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。(1)同时性是相对的：一个惯性系同时发生的两个事件，在另一个不一定同时发生。沿两个惯性系相对运动方向上发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现为同时的，在另一个惯性系中观察，则总是在前一个惯性系运动的后方的那一事件先发生。结论说明(3)同时的相对性否定了各个惯性系具有统一时间的可能性，否定了牛顿的绝对时空观。说明：沿垂直于相对运动方向上发生的两个事件的同时性是绝对的.S'系中闪光信号往返时间为：在S系中观察：代入上式得：s'Y'X'O'dYXOd2.时间量度的相对性固有时间Δt0:发生在某惯性系同一地点的两事件的时间间隔.

说明：(1)当u<<c时Δt=Δt0，回到牛顿力学。固有时间最短(3)固有时最短也叫运动时钟变慢（钟慢效应、时间膨胀）是时间本身的客观特征。(2)真空中的光速，是实际物体速度的上限。s'Y'X'O'dO’X’OX运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征。

一个运动的钟C

和一系列静止的钟C1、C2…

比较，运动的钟C变慢了。

一个运动时钟的“1秒”比一系列静止时钟的“1秒”长，这称为运动时钟的“时间延缓”。时间延缓完全是一种相对效应。时钟佯谬：运动的时钟变慢了，运动是相对的，S和S’都认为对方的钟在运动，这将会导致双方都认为对方的钟变慢了的矛盾结论。爱因斯坦曾经预言，两个校准好的钟，当一个沿闭合路线运动返回原地时，它记录的时间比原地不动的钟会慢一些。这已被高精度的铯原子钟超音速环球飞行实验所证实。双生子佯谬：若S和S’是一对双生子。S’乘高速飞船到太空遨游一段时间后返回地球，S’发现对方比自己老了，根据运动的相对性，S也将会得出发现对方比自己老了的矛盾结论。

实际上这种谬误是不会发生的，由于两个时钟或两个双生子的运动状态并不对称（例如，S'飞离、返回要经历加、减速运动过程），其结果一定是S'的时钟变慢了，双生子S'一定比S年轻。时钟佯谬与双生子佯谬解：可知，K'系飞船中钟是固有时间K系K'系例：一飞船以的速率相对于地面匀速飞行，飞船上的钟走了的时间，用地面上的钟测量经过多少时间？=5.000000002s

在日常生活中，钟慢效应是完全可以忽略的，但当运动速度接近于光速时，钟慢效应就变的重要了。在高能物理领域内，此效应得到了大量的实验证实。

时间延缓的实验验证：1966—1967年欧洲原子核研究中心（CERN）对粒子进行了研究。粒子是一种基本粒子，在静系中测得的寿命为0=2.2×10-6秒.当其加速到v=0.9966c时,它漂移了八公里.解：依牛顿定律,寿命不变,故漂移距离为:依相对论:当粒子加速至0.9966c时,寿命为:故漂移的距离为:与实验情况吻合得很好!例：解：

μ子是一种不稳定的粒子，从它产生到它衰变经历的时间即为它的寿命，已测得静止μ子的平均寿命

0=210-6s.宇宙线在大气上层产生的μ子速度为u=0.998c，问能否穿越9千米高空，被地面监测站检测到。如果没有钟慢效应，它们从产生到衰变的一段时间里平均走过的距离只有

以地面为参考系，μ子的“运动寿命”为:

可以棒的B'端和A'端相继通过S系中同一地点x1点，这两个事件发生在S系的同一点，所以两事件的时间间隔为固有时间Δt0，则：3.空间量度的相对性在两个惯性系测一根固定在S'系的棒A'B'的长度在S系中测量：x1点相继通过B'端和A'端，这两个事件发生在S'系中的不同点，时间间隔为非固有时间Δt'，则:在S'系中测量：(2)尺缩效应：沿尺长度方向相对尺运动的观测者测得的尺长l，较相对尺静止观测者测得的同一尺的原长l0要短。(3)长度收缩效应是相对的。只发生在物体运动的方向上，与运动方向垂直的长度是不变的。(4)长度收缩效应是同时性相对性的直接结果。讨论(1)当u<<c时，l=l0.固有长度l0：相对于物体静止的参考系测得的物体的长度。固有长度最长例：设想一光子火箭，相对地球以速度v=0.95c作直线运动，火箭上的观测者测得火箭的长度为15m。问地面上的观测者测得火箭有多长？解：由题意知：火箭固有长度为