第5章 从绝对时空观到相对论时空观.ppt

第第5章从绝对时空观到章从绝对时空观到相对论时空观相对论时空观5.15.1 伽利略相对性原理、经典力学时空观伽利略相对性原理、经典力学时空观 一一伽利略相对性原理伽利略相对性原理 二二先后顺序颠倒先后顺序颠倒5.25.2相对论时空观、洛伦兹坐标变换式相对论时空观、洛伦兹坐标变换式 一一迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验和洛伦兹坐标变换式莫雷实验和洛伦兹坐标变换式 二二狭义相对论时空观狭义相对论时空观 三三广义相对论的创立广义相对论的创立 5.1 5.1 伽利略相对性原理伽利略相对性原理 经典力学时空观经典力学时空观时间和长度的的绝对性是经典力学或牛顿力学的基础。时间和长度的的绝对性是经典力学或牛顿力学的基础。在两个相对作直线运动的参照系中，时间的测量是绝对的，在两个相对作直线运动的参照系中，时间的测量是绝对的，空间的测量也是绝对的，与参照系无关。空间的测量也是绝对的，与参照系无关。这种对时间和空间的认识称为经典力学时空观。这种对时间和空间的认识称为经典力学时空观。例如，小车以较低的速度沿水平轨道先后通过点例如，小车以较低的速度沿水平轨道先后通过点A A和和B B 。地面上的人与车上的人测得车通过地面上的人与车上的人测得车通过 A A、B B 两点间的距离两点间的距离和时间和时间 相同。相同。一伽利略相对性原理一伽利略相对性原理设设KK系相对系相对K K系以速度系以速度u u沿沿x x轴方向作匀速直线运动，轴方向作匀速直线运动，这两个参照系都是惯性系。这两个参照系都是惯性系。在两个参照系上建立直角在两个参照系上建立直角坐标系坐标系,当两个坐标系的原当两个坐标系的原点重合时作为计时的起点。点重合时作为计时的起点。对任一个质点对任一个质点P P在在K K系和系和KK系中的坐标，在经典系中的坐标，在经典力学时空观下遵从关系：力学时空观下遵从关系：伽利略变换伽利略变换这些变换关系称为这些变换关系称为伽利略相对性原理伽利略相对性原理。它是经典力学时空观的核心。它是经典力学时空观的核心。一伽利略相对性原理一伽利略相对性原理伽利略变换伽利略变换速度速度加速度加速度坐标变换关系和速度变换关系都是相对的。坐标变换关系和速度变换关系都是相对的。表明两个惯性系是等价的。表明两个惯性系是等价的。对力学规律而言，所有的惯性系都是等价的。对力学规律而言，所有的惯性系都是等价的。一伽利略相对性原理一伽利略相对性原理逆变换逆变换加速度加速度速度速度一伽利略相对性原理一伽利略相对性原理牛顿经典力学时空观的本质之一在于时间间隔的绝对性与牛顿经典力学时空观的本质之一在于时间间隔的绝对性与同时的绝对性，认为时间是与所选参照系无关的量。同时的绝对性，认为时间是与所选参照系无关的量。K系：K系：一伽利略相对性原理一伽利略相对性原理牛顿经典力学时空观的本质之二在于空间间隔的绝对性。牛顿经典力学时空观的本质之二在于空间间隔的绝对性。标尺相对标尺相对KK系静止，其长度系静止，其长度在在K K系测量其长度系测量其长度当当则则 伽利略实验伽利略实验 匀速直线运动的大船匀速直线运动的大船人跳向船尾不会比跳向船头更远人跳向船尾不会比跳向船头更远,虽然跳在空中时虽然跳在空中时,脚下脚下的船向着反方向移动。的船向着反方向移动。在船尾把东西扔给船头在船尾把东西扔给船头的同伴时的同伴时,所用的力不比所用的力不比两人换位置后用的力更大。两人换位置后用的力更大。水滴将象船静止时一样水滴将象船静止时一样,准确地滴进下面的罐子准确地滴进下面的罐子,一滴也不会滴向罐子之外一滴也不会滴向罐子之外,虽然水滴在空中时虽然水滴在空中时,船已行驶了一段距离。船已行驶了一段距离。一伽利略相对性原理一伽利略相对性原理总之，经典力学时空观的核心价值体系是存在独立于运动总之，经典力学时空观的核心价值体系是存在独立于运动之外的绝对时空。之外的绝对时空。这类时空观也称为绝对时空观。这类时空观也称为绝对时空观。该时空观还认为质量、加速度和力也是与惯性参照系无关该时空观还认为质量、加速度和力也是与惯性参照系无关的量。的量。运动定律在所有惯性系都具有相同的表述形式，运动定律在所有惯性系都具有相同的表述形式，即运动定律在伽利略变换下是协变的。即运动定律在伽利略变换下是协变的。一伽利略相对性原理一伽利略相对性原理球球投投出出前前结果结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球？根据根据伽利略变换伽利略变换计算计算球球投投出出后后二先后顺序颠倒二先后顺序颠倒据史书记载，九百多年前发生了一次超新星爆发事件。据史书记载，九百多年前发生了一次超新星爆发事件。爆发出现在爆发出现在1054 1054 年，在开始的年，在开始的2323天中这颗超新星非常亮，天中这颗超新星非常亮，白天也能在天空上看得到它，随后逐渐变暗，直到白天也能在天空上看得到它，随后逐渐变暗，直到10561056年年3 3月，历时月，历时2222个月。个月。这次爆发的残骸就形成了金牛座中的蟹状星云。这次爆发的残骸就形成了金牛座中的蟹状星云。AB二先后顺序颠倒二先后顺序颠倒实际持续时间约为实际持续时间约为 22 个月个月,这怎么解释这怎么解释?理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约l=5000 光年光年物质飞散速度物质飞散速度AB A A 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间B B 点光线到达点光线到达地球所需时间地球所需时间二先后顺序颠倒二先后顺序颠倒症结：症结：对于两个不同的惯性参照系对于两个不同的惯性参照系光速满足伽利略变换吗光速满足伽利略变换吗？15 15 1 1 伽利略变换式伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困牛顿力学相对性原理遇到的困难难经典力学时空观经典力学时空观受到严峻的挑战！受到严峻的挑战！二先后顺序颠倒二先后顺序颠倒5.25.2相对论时空观相对论时空观 洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式 声音和机械波不能在真空传播，必须要有传播的媒质。声音和机械波不能在真空传播，必须要有传播的媒质。光和电磁波却能在真空中传播，于是，人们认为真空不空，光和电磁波却能在真空中传播，于是，人们认为真空不空，充满称为充满称为“以太以太”的物质。的物质。“以太（以太（aetheraether）”一词来源于古希腊，原意为高空。一词来源于古希腊，原意为高空。笛卡尔最早把它用以表示一种充满宇宙的、能传递相互作笛卡尔最早把它用以表示一种充满宇宙的、能传递相互作用的无质量的物质。用的无质量的物质。“以太以太”无处不在。无处不在。太阳光之所以能传到地球，就是因为太阳到地球的空间充太阳光之所以能传到地球，就是因为太阳到地球的空间充满着满着“以太以太”。5.25.2相对论时空观相对论时空观 洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式如果如果“以太以太”存在，那么存在，那么1725 1725 年英国天文学家布拉德雷年英国天文学家布拉德雷发现的光行差现象，意味着发现的光行差现象，意味着“以太以太”相对于太阳静止而相相对于太阳静止而相对于地球运动。对于地球运动。光行差光行差：在地球上观察恒星，一年内其视位置所发生的改：在地球上观察恒星，一年内其视位置所发生的改变。变。如果如果“以太以太”相对于地球运动，相对于地球运动，就应该可以通过某种方式探测到。就应该可以通过某种方式探测到。一迈克耳孙一迈克耳孙-莫雷实验和莫雷实验和洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式1879 1879 年，著名物理学家麦克斯韦年，著名物理学家麦克斯韦提出了一种测定方法：提出了一种测定方法：让光线分别在平行和垂直于地球让光线分别在平行和垂直于地球运动方向等距离往返传播，平行于运动方向等距离往返传播，平行于地球运动方向所花的时间将会略大地球运动方向所花的时间将会略大于垂直方向的时间。于垂直方向的时间。1881 1881 年，美国物理学家迈克尔逊年，美国物理学家迈克尔逊根据麦克斯韦提出的原理设计了一个根据麦克斯韦提出的原理设计了一个极为精密的实验，极为精密的实验，未发现任何时间差未发现任何时间差。一迈克耳孙一迈克耳孙-莫雷实验和莫雷实验和洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式1887 1887 年，迈克尔逊再度与莫雷合作，年，迈克尔逊再度与莫雷合作，以更高精度重复实验。以更高精度重复实验。他们考虑光速远大于一般物体速度。他们考虑光速远大于一般物体速度。即使不同方向的光速是不相同的，即使不同方向的光速是不相同的，也很难测量得出来。也很难测量得出来。麦克尔逊麦克尔逊-莫雷实验的巧妙之点正是莫雷实验的巧妙之点正是在于他们不去测量不同方向的光速值本身，在于他们不去测量不同方向的光速值本身，而是测量不同方向的速度之间的差。而是测量不同方向的速度之间的差。GM1M2TG M1 GG M2 GG M2M2 GM2M1GT设设“以太以太”参考系为参考系为K系，实验室为系，实验室为 系系仪器可测量精度仪器可测量精度 实验结果实验结果:未未观察到地球相对于观察到地球相对于“以太以太”的运动。的运动。当整个装置旋转当整个装置旋转90后，后，两光束的光程差仍为两光束的光程差仍为 望远镜中应看到干涉条纹移动望远镜中应看到干涉条纹移动“以太以太”被判死刑！被判死刑！一迈克耳孙一迈克耳孙-莫雷实验和莫雷实验和洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式1892 1892 年，荷兰物理学家洛伦兹提出了收缩假说。年，荷兰物理学家洛伦兹提出了收缩假说。并推导出不同运动状态的惯性参照系之间时空坐标的变换并推导出不同运动状态的惯性参照系之间时空坐标的变换关系式关系式洛伦兹变换：洛伦兹变换：时间与空间坐标有关！时间与空间坐标有关！一迈克耳孙一迈克耳孙-莫雷实验和莫雷实验和洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式逆变换：逆变换：当当洛伦兹变换退化为伽利略变换。洛伦兹变换退化为伽利略变换。一迈克耳孙一迈克耳孙-莫雷实验和莫雷实验和洛伦兹坐标变换式洛伦兹坐标变换式洛伦兹没有能够深刻认识到他所发现的变换的真正意义。洛伦兹没有能够深刻认识到他所发现的变换的真正意义。1898 1898 年，法国物理学家彭家勒提出：年，法国物理学家彭家勒提出：“光具有不变的速光具有不变的速度，它在一切方向上都是相同的度，它在一切方向上都是相同的”，他主张针对麦克尔逊，他主张针对麦克尔逊-莫雷实验的莫雷实验的“零零”结果，引入更普遍的观念。结果，引入更普遍的观念。1904 1904 年，他提出应建立一门全新的力学。年，他提出应建立一门全新的力学。他提出，物体的惯性随着速度的增加而增加，光速是不可他提出，物体的惯性随着速度的增加而增加，光速是不可逾越的界限。逾越的界限。他的这些观点已是相对论的雏形，但他也没有从牛顿绝对他的这些观点已是相对论的雏形，但他也没有从牛顿绝对时空观中解脱出来，因此未能做出根本性的理论突破。时空观中解脱出来，因此未能做出根本性的理论突破。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观19 19 世纪末世纪末20 20 世纪初的一系列物理实验和理论探索，为建世纪初的一系列物理实验和理论探索，为建立新的时空理论和物质运动理论准备了条件。立新的时空理论和物质运动理论准备了条件。担当这一重任的是爱因斯坦。担当这一重任的是爱因斯坦。1905 1905 年年9 9 月，年仅月，年仅26 26 岁的岁的爱因斯坦发表了题为爱因斯坦发表了题为论运动论运动物体中的电动力学物体中的电动力学的论文，的论文，提出了狭义相对论的两条基本提出了狭义相对论的两条基本假设假设相对性原理和光速不相对性原理和光速不变原理。变原理。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观爱因斯坦认为，根本不存在绝对静止的以太参照系。爱因斯坦认为，根本不存在绝对静止的以太参照系。同时性是相对的而不是绝对的。同时性是相对的而不是绝对的。在此基础上，他在此基础上，他对洛仑兹变换式给予了全新的解释对洛仑兹变换式给予了全新的解释：从根本上说，我们只能在物体的相对运动中来度量时间和空从根本上说，我们只能在物体的相对运动中来度量时间和空间，根本找不到绝对时空坐标。间，根本找不到绝对时空坐标。时间、空间、质量等物理量的量度，取决于测量者与被测量时间、空间、质量等物理量的量度，取决于测量者与被测量者的相对运动状态。者的相对运动状态。他由此得出了狭义相对论的几个结论。他由此得出了狭义相对论的几个结论。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观1 1、运动的物体长度收缩、运动的物体长度收缩一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大。一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大。如果它相对于观察者以速度如果它相对于观察者以速度u 运动时，那么沿相对运动方运动时，那么沿相对运动方向上，它的长度要缩短。向上，它的长度要缩短。设物体相对于观察者静止设物体相对于观察者静止时它的长度为时它的长度为 ，则运动时物体长度变为则运动时物体长度变为 二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观例如高速列车上有一张桌子，车上的人在运动方向上测出例如高速列车上有一张桌子，车上的人在运动方向上测出它的长度为它的长度为1 1米，这个长度叫桌子的固有长度。米，这个长度叫桌子的固有长度。桌子相对于地面是运动的，在地面上的人测量出桌子的长桌子相对于地面是运动的，在地面上的人测量出桌子的长度小于度小于1 1米，这个效应叫长度收缩。米，这个效应叫长度收缩。收缩的程度决定于桌子相对于地面的运动速度，收缩的程度决定于桌子相对于地面的运动速度，并且这个并且这个收缩仅发生在运动方向上收缩仅发生在运动方向上，在垂直于桌子运动方向的方向上没有长度收缩。在垂直于桌子运动方向的方向上没有长度收缩。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观2 2、运动使时钟变慢、运动使时钟变慢一只时钟相对于观察者静止时，它走得最快。一只时钟相对于观察者静止时，它走得最快。如果它相对于观察者以速度如果它相对于观察者以速度u 运动时，那么它就走慢了。运动时，那么它就走慢了。简单地说就是运动着的时钟变慢。简单地说就是运动着的时钟变慢。设时钟相对于观察者静止时，某事件的时间间隔为设时钟相对于观察者静止时，某事件的时间间隔为 ，则运动时的时间间隔为则运动时的时间间隔为 二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观爱因斯坦设计了一个爱因斯坦设计了一个“光钟光钟”。将两面平行的镜子面对面放着，相距将两面平行的镜子面对面放着，相距150000150000千米，一束光千米，一束光在它们之间跳上跳下，来回一次的时间刚好是在它们之间跳上跳下，来回一次的时间刚好是1 1秒。秒。设想在地球上和经过地球向东高速飞行的飞船里各有一个设想在地球上和经过地球向东高速飞行的飞船里各有一个相同的光钟。相同的光钟。在飞船里的人看来，光束直上直下地来回跳，在飞船里的人看来，光束直上直下地来回跳，150000150000千米千米向上，向上，150000150000千米向下。但是，在地球上的人看来，飞船千米向下。但是，在地球上的人看来，飞船里的光束不是向上和向下运动，而是沿着一条对角线路径里的光束不是向上和向下运动，而是沿着一条对角线路径运动。一条对角线的距离显然大于运动。一条对角线的距离显然大于150000150000千米。千米。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观考虑光速不变，在地球上的人看来，飞船里的光束来回一考虑光速不变，在地球上的人看来，飞船里的光束来回一次所需的时间应超过次所需的时间应超过1 1秒。因此，在地球上的人认为飞船秒。因此，在地球上的人认为飞船里的钟走得慢。里的钟走得慢。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观3 3、运动的物体质量增大、运动的物体质量增大如果物体静止时的质量为如果物体静止时的质量为 ，则运动时质量增大为则运动时质量增大为这意味着物体的质量与时间和空间一样都具有相对性。这意味着物体的质量与时间和空间一样都具有相对性。这个效应在运动速度接近光速的宇宙射线和基本粒子中能这个效应在运动速度接近光速的宇宙射线和基本粒子中能明显测出来。明显测出来。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观4 4、光速是物质运动的极限速度、光速是物质运动的极限速度在任何惯性系中，物体的运动速度都不能超过光速在任何惯性系中，物体的运动速度都不能超过光速。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观5 5、同时性是相对的、同时性是相对的如果两个独立事件在惯性系中是同一时刻但不在同一地点发如果两个独立事件在惯性系中是同一时刻但不在同一地点发生，那么在相对于地面以匀速度运动的惯性系中测量，则它生，那么在相对于地面以匀速度运动的惯性系中测量，则它们就不是同时发生的。或简单说同时性并不是绝对的。们就不是同时发生的。或简单说同时性并不是绝对的。如何判断两事件是否同时？如何判断两事件是否同时？我们要判断、两地发生的两事件是否同时，可在联我们要判断、两地发生的两事件是否同时，可在联线的中点处设一光讯号接收站。线的中点处设一光讯号接收站。当点同时接收到从、两地发来的光讯号时，我们就可当点同时接收到从、两地发来的光讯号时，我们就可断定、两事件是同时发生的。断定、两事件是同时发生的。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观由于光速有限，根据光速不变原理，不同地点发生的两事由于光速有限，根据光速不变原理，不同地点发生的两事件的同时性是相对的。件的同时性是相对的。例如，设想有一列火车相对于站台以匀速例如，设想有一列火车相对于站台以匀速v 向右运动向右运动二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观当列车的首、尾两点、与站台上的当列车的首、尾两点、与站台上的A A、B B两点重合时，两点重合时，站台上同时在这两点发出闪光，站台上同时在这两点发出闪光，两闪光同时传到站台的中点，两闪光同时传到站台的中点，站在车上的中点站在车上的中点的人必然先接到来自车头的人必然先接到来自车头A A点的闪光，点的闪光，后接到来自车尾后接到来自车尾B B的闪光。的闪光。于是，对于车上的人来说，于是，对于车上的人来说，A A 的闪光早于的闪光早于 B B。这就是说，站台上的人认为是同时发生的事件，对于列车这就是说，站台上的人认为是同时发生的事件，对于列车上的人来说不是同时的。上的人来说不是同时的。这就是同时性的相对性。这就是同时性的相对性。同时具有相对性，时间的量度是相对的。同时具有相对性，时间的量度是相对的。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观1906 1906 年，爱因斯坦又发表了一篇短文年，爱因斯坦又发表了一篇短文物质所含的物质所含的惯性同它们所含的质量有关吗？惯性同它们所含的质量有关吗？，提出了相对论的质能关系式提出了相对论的质能关系式即物体运动的能量即物体运动的能量 E=mcE=mc2 2当某物质的质量发生变化时，必然要伴随能量变化，反之当某物质的质量发生变化时，必然要伴随能量变化，反之亦然，这一公式为原子能的利用奠定了理论基础。亦然，这一公式为原子能的利用奠定了理论基础。这是一个具有划时代意义的理论公式，可以作为这是一个具有划时代意义的理论公式，可以作为相对论的相对论的标志标志。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观 例例5-15-1用洛伦兹变换验证长度的收缩公式用洛伦兹变换验证长度的收缩公式 证：证：K K系中静止的棒长系中静止的棒长根据洛伦兹变换，得：根据洛伦兹变换，得：K系中必须同时测，即系中必须同时测，即 二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观 例例5-25-2固有长度为固有长度为5m5m的飞船以的飞船以u u9000 9000 m/sm/s相对地面匀相对地面匀速飞行时，在地面上测得飞船的长度为多少？速飞行时，在地面上测得飞船的长度为多少？解：解：根据相对论尺缩关系得根据相对论尺缩关系得 这说明在远小于光速时相对论尺缩效应不明显。这说明在远小于光速时相对论尺缩效应不明显。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观 例例5-35-3 某种热核反应某种热核反应中各粒子的静质量是：中各粒子的静质量是：氘核氘核 的静质量的静质量 氚核氚核 的静质量的静质量 氦核氦核 的静质量的静质量 中子中子 的静质量的静质量 求这一热核反应释放的能量是多少？求这一热核反应释放的能量是多少？二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观解：解：热核反应造成的质量亏损为热核反应造成的质量亏损为相应释放的能量为相应释放的能量为而而1 1的这种核燃料所释放的能量为的这种核燃料所释放的能量为是是1 1优质煤燃烧所释放热量的优质煤燃烧所释放热量的1 1千多万倍千多万倍。这类由于原子。这类由于原子核内部结构发生变化而释放出的巨大能量，称为核内部结构发生变化而释放出的巨大能量，称为核能核能。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观爱因斯坦的狭义相对论为核能利用奠定了基础。爱因斯坦的狭义相对论为核能利用奠定了基础。核电站只需消耗很少的核燃料，核电站只需消耗很少的核燃料，就可以产生大量的电能，每千瓦时就可以产生大量的电能，每千瓦时电能的成本比火电站要低电能的成本比火电站要低20%20%以上。以上。核电站还可以大大减少燃料的运输核电站还可以大大减少燃料的运输量。量。核电的另一个优势是干净、无污染，核电的另一个优势是干净、无污染，几乎是零排放，是一种几乎是零排放，是一种“绿色能源绿色能源”。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观狭义相对论的建立是物理学发展史上的革命。狭义相对论的建立是物理学发展史上的革命。它把空间、时间和物质的运动联系起来。它把空间、时间和物质的运动联系起来。狭义相对论很好地解释了以太漂移实验的狭义相对论很好地解释了以太漂移实验的“零零”结果问题，结果问题，“以太假说以太假说”彻底被清除出历史舞台。彻底被清除出历史舞台。著名物理学家普朗克对狭义相对论给予很高的评价，并热著名物理学家普朗克对狭义相对论给予很高的评价，并热心进行宣传。心进行宣传。爱因斯坦的老师著名数学家闵可夫斯基引进了时空坐标，爱因斯坦的老师著名数学家闵可夫斯基引进了时空坐标，为狭义相对论找到了比较完美的数学形式，并进一步揭示为狭义相对论找到了比较完美的数学形式，并进一步揭示了时间的统一关系。了时间的统一关系。二狭义相对论时空观二狭义相对论时空观狭义相对论的局限性：狭义相对论的局限性：它没有解决惯性系何以优于其他参照系之谜，也没有进一它没有解决惯性系何以优于其他参照系之谜，也没有进一步揭示时空与物质分布的关系。步揭示时空与物质分布的关系。狭义相对论只有在引力场比较弱、引力的影响可以忽略的狭义相对论只有在引力场比较弱、引力的影响可以忽略的情况下，其结论才是正确的。情况下，其结论才是正确的。经过经过10 10 年的潜心研究，爱因斯坦终于在年的潜心研究，爱因斯坦终于在1915 1915 年把狭义相年把狭义相对论推广为广义相对论。对论推广为广义相对论。三广义相对论的创立三广义相对论的创立爱因斯坦建立广义相对论的突破口是把相对性原理推广到爱因斯坦建立广义相对论的突破口是把相对性原理推广到加速运动的非惯性系。加速运动的非惯性系。他接受了奥地利物理学家马赫的观点，认为非惯性系理论他接受了奥地利物理学家马赫的观点，认为非惯性系理论一定要包括引力理论，而惯性质量和引力质量相等是解决一定要包括引力理论，而惯性质量和引力质量相等是解决引力问题的关键。引力问题的关键。他以此为基础，提出他以此为基础，提出等效原理：一个加速运动的非惯性体等效原理：一个加速运动的非惯性体系，等效于含有均匀引力场的惯性系系，等效于含有均匀引力场的惯性系。在等效原理的基础上，他又进一步提出了在等效原理的基础上，他又进一步提出了“广义协变原理广义协变原理”，认为在任何参照系中，物理定律的数学形式都是相同，认为在任何参照系中，物理定律的数学形式都是相同的。的。三广义相对论的创立三广义相对论的创立广义相对论实质上是一种引力理论。广义相对论实质上是一种引力理论。在有引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里得几何，在有引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里得几何，而遵循着非欧几何。而遵循着非欧几何。19 19 世纪德国数学家黎曼所建立的黎曼几何学就是非欧几世纪德国数学家黎曼所建立的黎曼几何学就是非欧几何学的一种，它描写了非平直空间的性质。何学的一种，它描写了非平直空间的性质。欧式几何所研究的范围是绝对的平的问题，在平面里画出欧式几何所研究的范围是绝对的平的问题，在平面里画出的三角形三条边都是直的，两点之间的距离也是直的，三的三角形三条边都是直的，两点之间的距离也是直的，三角形的内角和等于角形的内角和等于180180度。度。但是我们生活在地球上，因此我们的空间是曲面，而不是但是我们生活在地球上，因此我们的空间是曲面，而不是平面。平面。三广义相对论的创立三广义相对论的创立在球面上画三角形在球面上画三角形ABCABC，无论怎么画，这个三角形的内角，无论怎么画，这个三角形的内角和都大于和都大于180180度，两点间的最短距离不是直线而是曲线，度，两点间的最短距离不是直线而是曲线，称为测地线，这个几何就是称为测地线，这个几何就是黎曼几何黎曼几何。三广义相对论的创立三广义相对论的创立爱因斯坦选择了黎曼几何为广义相对论的时空模型。爱因斯坦选择了黎曼几何为广义相对论的时空模型。广义相对论认为，现实的物质空间不是平直的欧几里得空广义相对论认为，现实的物质空间不是平直的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。间，而是弯曲的黎曼空间。空间的弯曲程度取决于物质在空间的几何分布。空间的弯曲程度取决于物质在空间的几何分布。物质分布密度越大，则引力场的强度也越大，时空物质分布密度越大，则引力场的强度也越大，时空“弯曲弯曲”越厉害。越厉害。广义相对论用引力场揭示了引力的本质，彻底否定了牛顿广义相对论用引力场揭示了引力的本质，彻底否定了牛顿的绝对时空观。的绝对时空观。三广义相对论的创立三广义相对论的创立广义相对论成功地解决了如下三个重大问题：广义相对论成功地解决了如下三个重大问题：第一，爱因斯坦用广义相对论成功地解释了水星近日点进第一，爱因斯坦用广义相对论成功地解释了水星近日点进动问题。动问题。第二，爱因斯坦根据广义相对论，预言光线在强引力场中第二，爱因斯坦根据广义相对论，预言光线在强引力场中要产生偏转，并计算出恒星光线经过太阳边缘时将发生要产生偏转，并计算出恒星光线经过太阳边缘时将发生1.7 1.7 弧秒的偏转度。弧秒的偏转度。第三，爱因斯坦预言光线在强引力场中发生引力频移。第三，爱因斯坦预言光线在强引力场中发生引力频移。广义相对论已成为现代宇宙理论的基础之一。广义相对论已成为现代宇宙理论的基础之一。三广义相对论的创立三广义相对论的创立水星近日点进动问题水星近日点进动问题1859 1859 年，法国天文学家勒威耶发现水星轨道近日点的进年，法国天文学家勒威耶发现水星轨道近日点的进动，每动，每100 100 年有年有38 38 秒的剩余值（今测值为秒的剩余值（今测值为42.6 42.6 秒）。秒）。他预测在水星轨道里面还有一颗尚未发现的行星或一个行他预测在水星轨道里面还有一颗尚未发现的行星或一个行星群存在。星群存在。但在天文观测中并未发现这颗行星。但在天文观测中并未发现这颗行星。爱因斯坦根据广义相对论，推断这爱因斯坦根据广义相对论，推断这是水星在太阳引力场中沿测地线运动是水星在太阳引力场中沿测地线运动所造成的。所造成的。他计算出的进动值与观测值一致。他计算出的进动值与观测值一致。三广义相对论的创立三广义相对论的创立光线在强引力场中要产生偏转光线在强引力场中要产生偏转1919 1919 年年5 5 月，由英国天文学家、物理学家爱丁顿率领的月，由英国天文学家、物理学家爱丁顿率领的一支考察队在西非的普林西比岛对日全食进行了观测，发一支考察队在西非的普林西比岛对日全食进行了观测，发现光线经过太阳边缘时发生了现光线经过太阳边缘时发生了 1.61 1.61 弧秒的偏转。弧秒的偏转。另一支英国科学考察队在南美的另一支英国科学考察队在南美的索布拉尔进行了日全食观测，其结索布拉尔进行了日全食观测，其结果为果为1.98 1.98 弧秒。弧秒。证实了爱因斯坦的预言。证实了爱因斯坦的预言。三广义相对论的创立三广义相对论的创立光线在强引力场中发生引力频移光线在强引力场中发生引力频移根据广义相对论，在强引力场中时钟要变慢，所以巨大质根据广义相对论，在强引力场中时钟要变慢，所以巨大质量星体表面传到地球的光的谱线应有红移现象（即波长变量星体表面传到地球的光的谱线应有红移现象（即波长变长）。长）。1925 1925 年，美国天文学家年，美国天文学家亚当斯在天文观测中证实了亚当斯在天文观测中证实了这个结果。这个结果。三广义相对论的创立三广义相对论的创立相对论使引力理论建立在十分简单的基础上，使质量与能相对论使引力理论建立在十分简单的基础上，使质量与能量统一起来，使惯性系与非惯性系统一起来，使惯性质量量统一起来，使惯性系与非惯性系统一起来，使惯性质量与引力质量统一起来。与引力质量统一起来。相对论的创立，充分说明：相对论的创立，充分说明：自然科学的重大理论突破，需要善于发现已有的理论与实自然科学的重大理论突破，需要善于发现已有的理论与实践的矛盾，需要有勇于挑战传统理论的自信心与勇气；践的矛盾，需要有勇于挑战传统理论的自信心与勇气；创新意识、创新思想在科学研究中具有重大作用和意义。创新意识、创新思想在科学研究中具有重大作用和意义。思考与讨论思考与讨论 5.15.1举出生活中需要用到相对性原理的实例。举出生活中需要用到相对性原理的实例。5.25.2在什么条件下洛伦兹变换可以过渡到伽利略变换？在什么条件下洛伦兹变换可以过渡到伽利略变换？5.35.3设计一种测量光速度的方法。设计一种测量光速度的方法。5.45.4从地面看匀速直线运动的物体在高速运动的方向上从地面看匀速直线运动的物体在高速运动的方向上长度收缩，那么从匀速直线运动的物体上在高速运动的方长度收缩，那么从匀速直线运动的物体上在高速运动的方向上看地面长度会变长吗？向上看地面长度会变长吗？5.55.5从地面看匀速直线运动参照系上的时钟变慢，那么从地面看匀速直线运动参照系上的时钟变慢，那么从匀速直线运动的参照系上看地面上的时钟会变快吗？从匀速直线运动的参照系上看地面上的时钟会变快吗？