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第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 Special Theory of Relativity （2014.06.05）作业作业 6.2，6.3，6.61第六章 狭义相对论2 2普通物理学普通物理学(一二年一二年级级)理理论论物理学物理学(三四年三四年级级)特征常数特征常数前沿理前沿理论论 物理学三个物理学三个E力力 学学理理论论力学力学低速低速高速高速万有引力常万有引力常数数G 宇宙学宇宙学天体物理天体物理 非非线线性性复复杂杂理理论论 相相对论对论 量子量子 信息信息论论Energy(能量能量)Entropy(熵熵)Entanglement（纠缠态纠缠态）热热 学学热热力学力学统计统计物理学物理学单单体体多体多体玻玻尔尔兹兹曼常曼常数数k电电磁学磁学电动电动力学力学实物实物场论场论真空光速真空光速c电电子子电电量量e光光 学学原子物理学原子物理学量子力学量子力学宏宏观观微微观观普朗克常数普朗克常数 h 物理学类本科专业基础理论课程结构物理学类本科专业基础理论课程结构Electromagnetics Electromagnetics ElectrodynamicsElectrodynamics2第六章 狭义相对论3附录 矢量场论和张量1905年爱因斯坦建立狭义相对论1865年麦克斯韦提出涡旋电场和位移电流假说建立麦克斯韦电磁理论1820年奥斯特发现电流的磁效应17851813年1831年法拉第发现电磁感应库仑定律高斯定理和静电势的泊松方程1915年爱因斯坦建立广义相对论1948费曼施温格朝永建立量子电动力学(QED)获1965年诺贝尔奖1960杨振宁米尔斯提出规范场理论格拉肖萨拉姆温伯格等建立弱电统一理论获1979年诺贝尔奖宇宙学黑洞理论宇宙时空本质 霍金3第六章 狭义相对论Albert Einstein阿尔伯特阿尔伯特 爱因斯爱因斯坦坦(18791955)(18791955)4第六章 狭义相对论 任何物理规律都是相对于一定参考系表述出来的。任何物理规律都是相对于一定参考系表述出来的。任何物理规律都是相对于一定参考系表述出来的。任何物理规律都是相对于一定参考系表述出来的。我们讨论了经典电动力学的基本理论和有关规律，但我们讨论了经典电动力学的基本理论和有关规律，但我们讨论了经典电动力学的基本理论和有关规律，但我们讨论了经典电动力学的基本理论和有关规律，但是讨论的范围限于是讨论的范围限于是讨论的范围限于是讨论的范围限于“静止静止静止静止”介质中的电磁场。介质中的电磁场。介质中的电磁场。介质中的电磁场。本章讨本章讨本章讨本章讨论动体的电动力学。论动体的电动力学。论动体的电动力学。论动体的电动力学。电动力学的几个遗留问题电动力学的几个遗留问题电动力学的几个遗留问题电动力学的几个遗留问题第一第一第一第一 麦克斯韦方程组的参考系问题。麦克斯韦方程组的参考系问题。麦克斯韦方程组的参考系问题。麦克斯韦方程组的参考系问题。第三第三第三第三 如果运动是相对的，那么磁场与电场就应该如果运动是相对的，那么磁场与电场就应该如果运动是相对的，那么磁场与电场就应该如果运动是相对的，那么磁场与电场就应该 是相对的。与运动无关的电磁量是什么是相对的。与运动无关的电磁量是什么是相对的。与运动无关的电磁量是什么是相对的。与运动无关的电磁量是什么?第二第二第二第二 电磁波动与机械波动的差异。电磁波动与机械波动的差异。电磁波动与机械波动的差异。电磁波动与机械波动的差异。5第六章 狭义相对论 相对论主要是关于时间、空间和物质的理论。是现代相对论主要是关于时间、空间和物质的理论。是现代相对论主要是关于时间、空间和物质的理论。是现代相对论主要是关于时间、空间和物质的理论。是现代物理学的主要理论基础之一。局限于惯性参考系的理论称物理学的主要理论基础之一。局限于惯性参考系的理论称物理学的主要理论基础之一。局限于惯性参考系的理论称物理学的主要理论基础之一。局限于惯性参考系的理论称为狭义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理为狭义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理为狭义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理为狭义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理论称为广义相对论。（近来相对论界的普遍观点是把狭义论称为广义相对论。（近来相对论界的普遍观点是把狭义论称为广义相对论。（近来相对论界的普遍观点是把狭义论称为广义相对论。（近来相对论界的普遍观点是把狭义和广义相对论的分界线定义在平直时空和弯曲时空之间）。和广义相对论的分界线定义在平直时空和弯曲时空之间）。和广义相对论的分界线定义在平直时空和弯曲时空之间）。和广义相对论的分界线定义在平直时空和弯曲时空之间）。狭义相对论的主要内容狭义相对论的主要内容狭义相对论的主要内容狭义相对论的主要内容（1 1）惯性参考系之间的洛伦兹变换及其物理意义。惯性参考系之间的洛伦兹变换及其物理意义。惯性参考系之间的洛伦兹变换及其物理意义。惯性参考系之间的洛伦兹变换及其物理意义。（2 2）物理规律在任意惯性系中可表示为相同形式，即物理规律在任意惯性系中可表示为相同形式，即物理规律在任意惯性系中可表示为相同形式，即物理规律在任意惯性系中可表示为相同形式，即 物理规律的协变性。物理规律的协变性。物理规律的协变性。物理规律的协变性。（3 3）把电动力学规律表述为协变形式。把电动力学规律表述为协变形式。把电动力学规律表述为协变形式。把电动力学规律表述为协变形式。（4 4）把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。6第六章 狭义相对论（1 1）古代宇宙观）古代宇宙观 1 1 狭义相对论的实验基础狭义相对论的实验基础狭义相对论的实验基础狭义相对论的实验基础1.1.相对论产生的历史背景相对论产生的历史背景相对论产生的历史背景相对论产生的历史背景毕达哥拉斯宇宙模型毕达哥拉斯宇宙模型从左到右：对地、中心火、地从左到右：对地、中心火、地球、月亮、太阳、金火水木土球、月亮、太阳、金火水木土亚里士多德宇宙模型亚里士多德宇宙模型从下到上：地球、月亮、水金从下到上：地球、月亮、水金日火木土、恒星天、原动天日火木土、恒星天、原动天7第六章 狭义相对论哥白尼日心说哥白尼日心说哥白尼日心说哥白尼日心说 从下到上：太阳、水星、从下到上：太阳、水星、金星、地球、火星、木星和金星、地球、火星、木星和土星，月亮围绕地球运动。土星，月亮围绕地球运动。（2 2）以太理论）以太理论 亚里士多德认为亚里士多德认为“月下世月下世界界”由土水火气组成万物，都由土水火气组成万物，都会腐朽，而会腐朽，而“月上世界月上世界”是永是永恒不变的，充满了轻盈而透明恒不变的，充满了轻盈而透明的的“以太以太”。十九世纪的学者。十九世纪的学者们则进一步认为：以太充满全们则进一步认为：以太充满全宇宙，光就是以太的弹性振动，宇宙，光就是以太的弹性振动，光的载体就是以太。以太相对光的载体就是以太。以太相对于牛顿的于牛顿的“绝对空间绝对空间”静止，静止，地球相对于以太的速度就是相地球相对于以太的速度就是相对于对于“绝对空间绝对空间”的速度。的速度。8第六章 狭义相对论 天文学家天文学家Bradly于于1728年年发现：观发现：观测测同一恒星的望远镜的倾同一恒星的望远镜的倾角，要随季节做周期性的变化。角，要随季节做周期性的变化。如果认为以太相对于如果认为以太相对于“绝对空间绝对空间”静止，在绝对空间中运动静止，在绝对空间中运动的地球，应该在以太中穿行，的地球，应该在以太中穿行，光行差现象表明运动介质没有带动光行差现象表明运动介质没有带动以太。以太。vvv恒星恒星太阳太阳地球地球=-（3 3）光行差现象）光行差现象9第六章 狭义相对论（4 4）菲索流水实验）菲索流水实验10第六章 狭义相对论由该时间差对应的光程差，即可算出牵引系数由该时间差对应的光程差，即可算出牵引系数由该时间差对应的光程差，即可算出牵引系数由该时间差对应的光程差，即可算出牵引系数k k。此值与菲涅尔此值与菲涅尔此值与菲涅尔此值与菲涅尔18181818年推出的结果一致年推出的结果一致年推出的结果一致年推出的结果一致 对空气对空气对空气对空气 ，表明空气几乎带不动以太。，表明空气几乎带不动以太。，表明空气几乎带不动以太。，表明空气几乎带不动以太。因此，地球表面以太被带动的假说站不住脚。因此，地球表面以太被带动的假说站不住脚。因此，地球表面以太被带动的假说站不住脚。因此，地球表面以太被带动的假说站不住脚。11第六章 狭义相对论参考系参考系参考系参考系 质点的位置及其运动与否，只有相对于事先选定的质点的位置及其运动与否，只有相对于事先选定的质点的位置及其运动与否，只有相对于事先选定的质点的位置及其运动与否，只有相对于事先选定的视为不动的物体才有明确的意义。我们称所选取的物体视为不动的物体才有明确的意义。我们称所选取的物体视为不动的物体才有明确的意义。我们称所选取的物体视为不动的物体才有明确的意义。我们称所选取的物体为参考物，与参考物固连的空间为参考空间。参考空间为参考物，与参考物固连的空间为参考空间。参考空间为参考物，与参考物固连的空间为参考空间。参考空间为参考物，与参考物固连的空间为参考空间。参考空间和与之固连的钟的组合称为参考系。和与之固连的钟的组合称为参考系。和与之固连的钟的组合称为参考系。和与之固连的钟的组合称为参考系。坐标系坐标系坐标系坐标系 参考系选定后，为了定量的描述质点相对于参考系参考系选定后，为了定量的描述质点相对于参考系参考系选定后，为了定量的描述质点相对于参考系参考系选定后，为了定量的描述质点相对于参考系的位置，还必须在参考系上建立坐标系。常用的坐标系的位置，还必须在参考系上建立坐标系。常用的坐标系的位置，还必须在参考系上建立坐标系。常用的坐标系的位置，还必须在参考系上建立坐标系。常用的坐标系有直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。例如直角坐标系有直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。例如直角坐标系有直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。例如直角坐标系有直角坐标系、柱坐标系和球坐标系。例如直角坐标系中的一个空间点用该点的三个空间坐标表示，中的一个空间点用该点的三个空间坐标表示，中的一个空间点用该点的三个空间坐标表示，中的一个空间点用该点的三个空间坐标表示，P P(x,y,zx,y,z)。x x OOy yz zP P(x,y,zx,y,z)12第六章 狭义相对论相对性和不变性相对性和不变性相对性和不变性相对性和不变性 从两个互有相对运动的参考系对同一事物的观测从两个互有相对运动的参考系对同一事物的观测从两个互有相对运动的参考系对同一事物的观测从两个互有相对运动的参考系对同一事物的观测结果不同，或对同一物理量测量结果不同，称事物或结果不同，或对同一物理量测量结果不同，称事物或结果不同，或对同一物理量测量结果不同，称事物或结果不同，或对同一物理量测量结果不同，称事物或物理量的相对性。物理量的相对性。物理量的相对性。物理量的相对性。如果任何两个有相对运动的参考系中的观察者对如果任何两个有相对运动的参考系中的观察者对如果任何两个有相对运动的参考系中的观察者对如果任何两个有相对运动的参考系中的观察者对于某一一物理量测量结果总是一样的，或对于某一物于某一一物理量测量结果总是一样的，或对于某一物于某一一物理量测量结果总是一样的，或对于某一物于某一一物理量测量结果总是一样的，或对于某一物理定律的表述形式完全一样，称这个物理量或物理理定律的表述形式完全一样，称这个物理量或物理理定律的表述形式完全一样，称这个物理量或物理理定律的表述形式完全一样，称这个物理量或物理规律具有不变性。规律具有不变性。规律具有不变性。规律具有不变性。13第六章 狭义相对论事件事件事件事件 物质物质物质物质运动可看作是一连串事件在时空中的变化过程。运动可看作是一连串事件在时空中的变化过程。运动可看作是一连串事件在时空中的变化过程。运动可看作是一连串事件在时空中的变化过程。事件事件事件事件可以有各种不同的具体内容可以有各种不同的具体内容可以有各种不同的具体内容可以有各种不同的具体内容，通常用三个空间坐标，通常用三个空间坐标，通常用三个空间坐标，通常用三个空间坐标和一个时间坐标和一个时间坐标和一个时间坐标和一个时间坐标来描述一个来描述一个来描述一个来描述一个确定的确定的确定的确定的事件事件事件事件 p p(x,y,z,t(x,y,z,t)。所有时空点的集合构成闵可夫斯基空间所有时空点的集合构成闵可夫斯基空间所有时空点的集合构成闵可夫斯基空间所有时空点的集合构成闵可夫斯基空间。惯性系惯性系惯性系惯性系 相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系称相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系称相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系称相对于绝对空间静止或作匀速直线运动的参考系称为惯性系。为惯性系。为惯性系。为惯性系。x x OOt ty yp p(x,y,z,t(x,y,z,t)14第六章 狭义相对论力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理力学相对性原理 一切惯性系在力学上都是等价的。或者说，在任何一切惯性系在力学上都是等价的。或者说，在任何一切惯性系在力学上都是等价的。或者说，在任何一切惯性系在力学上都是等价的。或者说，在任何惯性系中，力学定律具有相同的形式。惯性系中，力学定律具有相同的形式。惯性系中，力学定律具有相同的形式。惯性系中，力学定律具有相同的形式。注意注意注意注意“等价等价等价等价”不等于说在不同惯性系中看到的现象不等于说在不同惯性系中看到的现象不等于说在不同惯性系中看到的现象不等于说在不同惯性系中看到的现象都一样，而是说不同惯性系中的动力学规律都一样，从都一样，而是说不同惯性系中的动力学规律都一样，从都一样，而是说不同惯性系中的动力学规律都一样，从都一样，而是说不同惯性系中的动力学规律都一样，从而都能正确解释所看到的现象。而都能正确解释所看到的现象。而都能正确解释所看到的现象。而都能正确解释所看到的现象。参考系参考系参考系参考系 x,y,z,tx,y,z,t参考系参考系参考系参考系 x,y,z,tx,y,z,t 空间点空间点空间点空间点P P(x,y,zx,y,z）时空点时空点时空点时空点p p(x,y,zx,y,z,t),t)x x v vOOOO y yy y z z z zx x 15第六章 狭义相对论伽利略变换伽利略变换伽利略变换伽利略变换牛顿定律牛顿定律牛顿定律牛顿定律满足伽利满足伽利满足伽利满足伽利略变换略变换略变换略变换x,xx,x v vOOOO y yy y z z z zp p1 1p p2 2x x v vOOOO y yy y z z z zx x r r(t)(t)r ro(t)(t)r(t)r(t)P P(x,y,zx,y,z）16第六章 狭义相对论设设设设x x轴上事件轴上事件轴上事件轴上事件1 1和事件和事件和事件和事件2 2在两个惯性参考系中的时空坐标在两个惯性参考系中的时空坐标在两个惯性参考系中的时空坐标在两个惯性参考系中的时空坐标 系中的时间间隔系中的时间间隔系中的时间间隔系中的时间间隔 由伽利略变换有由伽利略变换有由伽利略变换有由伽利略变换有 系中的时间间隔系中的时间间隔系中的时间间隔系中的时间间隔即两个事件的时间间隔在两个惯性参考系中相同。即两个事件的时间间隔在两个惯性参考系中相同。即两个事件的时间间隔在两个惯性参考系中相同。即两个事件的时间间隔在两个惯性参考系中相同。经典力学认为经典力学认为经典力学认为经典力学认为事件事件事件事件的进程在任何惯性参考系中都相同的进程在任何惯性参考系中都相同的进程在任何惯性参考系中都相同的进程在任何惯性参考系中都相同，即时间是绝对的。即时间是绝对的。即时间是绝对的。即时间是绝对的。17第六章 狭义相对论由伽利略变换有由伽利略变换有由伽利略变换有由伽利略变换有测量长度要求测量长度要求测量长度要求测量长度要求得得得得事件事件事件事件1 1和事件和事件和事件和事件2 2在两个在两个在两个在两个参考系中的时空坐标参考系中的时空坐标参考系中的时空坐标参考系中的时空坐标 系中的空间间系中的空间间系中的空间间系中的空间间距距距距 系中的空间间系中的空间间系中的空间间系中的空间间距距距距即两个事件的空间间即两个事件的空间间即两个事件的空间间即两个事件的空间间距距距距在两个惯性参考系中相同。在两个惯性参考系中相同。在两个惯性参考系中相同。在两个惯性参考系中相同。经典力学认为经典力学认为经典力学认为经典力学认为事件事件事件事件的间距在任何惯性参考系中都相的间距在任何惯性参考系中都相的间距在任何惯性参考系中都相的间距在任何惯性参考系中都相同同同同，即空间是绝对的。，即空间是绝对的。，即空间是绝对的。，即空间是绝对的。18第六章 狭义相对论经典（牛顿）时空观经典（牛顿）时空观经典（牛顿）时空观经典（牛顿）时空观 时间和空间是分别独立、不相联系的。空间距时间和空间是分别独立、不相联系的。空间距时间和空间是分别独立、不相联系的。空间距时间和空间是分别独立、不相联系的。空间距离和时间间隔都不随参考系的选择而改变。独立于离和时间间隔都不随参考系的选择而改变。独立于离和时间间隔都不随参考系的选择而改变。独立于离和时间间隔都不随参考系的选择而改变。独立于物质和物质运动的绝对时间均匀流逝。即不存在受物质和物质运动的绝对时间均匀流逝。即不存在受物质和物质运动的绝对时间均匀流逝。即不存在受物质和物质运动的绝对时间均匀流逝。即不存在受运动状态影响的时钟和直尺。运动状态影响的时钟和直尺。运动状态影响的时钟和直尺。运动状态影响的时钟和直尺。在所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律在所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是相同的，具有相同的数学表达形式。或者说，对是相同的，具有相同的数学表达形式。或者说，对于描述力学现象的规律而言，所有惯性系是等价的。于描述力学现象的规律而言，所有惯性系是等价的。绝对时空和绝对质量构成了经典物理学的公理绝对时空和绝对质量构成了经典物理学的公理基础。基础。19第六章 狭义相对论牛顿力学牛顿力学热力学与经典统计理论热力学与经典统计理论经典物理学三大理论体系经典物理学三大理论体系使经典物理学已趋于成熟使经典物理学已趋于成熟麦氏电磁场理论和波动光学麦氏电磁场理论和波动光学 德国物理学家普朗克德国物理学家普朗克(18581947)年轻时曾向他的老师、德国年轻时曾向他的老师、德国物理学家冯物理学家冯约里约里(18091884)表示要献身物理学，但老师却劝他表示要献身物理学，但老师却劝他说：说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大年轻人，物理学是一门已经完成了的科学，不会再有多大发展了。将一生献给这门科学，太可惜了。发展了。将一生献给这门科学，太可惜了。”患开尔文、冯患开尔文、冯约约里等人类似的病的人还有：德国物理学家劳厄里等人类似的病的人还有：德国物理学家劳厄(18791960)、美国、美国物理学家迈克尔逊物理学家迈克尔逊(18521931)等。劳厄说，经典物理和经典力学等。劳厄说，经典物理和经典力学已已“结合成一座具有庄严宏伟的建筑体系和动人心弦的美丽殿室结合成一座具有庄严宏伟的建筑体系和动人心弦的美丽殿室”；而迈克尔逊则说；而迈克尔逊则说“绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立绝大多数重要的基本原理已经牢固地确立起来了，下一步的发展看来主要是把这些原理认真地利用起来了，下一步的发展看来主要是把这些原理认真地利用”。（4 4）经典物理学经典物理学20第六章 狭义相对论 18761876年麦克斯韦创立电磁理论，伽利略相对性原理年麦克斯韦创立电磁理论，伽利略相对性原理年麦克斯韦创立电磁理论，伽利略相对性原理年麦克斯韦创立电磁理论，伽利略相对性原理要求电磁运动规律满足协变性要求电磁运动规律满足协变性要求电磁运动规律满足协变性要求电磁运动规律满足协变性但实际变换结果不满足协变性但实际变换结果不满足协变性但实际变换结果不满足协变性但实际变换结果不满足协变性经典物理学经典物理学（5 5）电磁运动规律不满足协变性电磁运动规律不满足协变性电磁运动规律不满足协变性电磁运动规律不满足协变性21第六章 狭义相对论 依据经典时空观，伽利略速度叠加原理要求电磁波依据经典时空观，伽利略速度叠加原理要求电磁波依据经典时空观，伽利略速度叠加原理要求电磁波依据经典时空观，伽利略速度叠加原理要求电磁波只能够对一个特定的参考系的传播速度为只能够对一个特定的参考系的传播速度为只能够对一个特定的参考系的传播速度为只能够对一个特定的参考系的传播速度为c c，因而麦氏，因而麦氏，因而麦氏，因而麦氏方程也就只能对该参考系成立。那么经典力学中一切惯方程也就只能对该参考系成立。那么经典力学中一切惯方程也就只能对该参考系成立。那么经典力学中一切惯方程也就只能对该参考系成立。那么经典力学中一切惯性系等价的相对性原理对电磁现象就不成立，由电磁规性系等价的相对性原理对电磁现象就不成立，由电磁规性系等价的相对性原理对电磁现象就不成立，由电磁规性系等价的相对性原理对电磁现象就不成立，由电磁规律可以确定一个特殊的参考系，即绝对参考系，相对于律可以确定一个特殊的参考系，即绝对参考系，相对于律可以确定一个特殊的参考系，即绝对参考系，相对于律可以确定一个特殊的参考系，即绝对参考系，相对于绝对参考系的运动称为绝对运动。绝对参考系的运动称为绝对运动。绝对参考系的运动称为绝对运动。绝对参考系的运动称为绝对运动。当时人们认为既然声波、水波等机械波，都是在某当时人们认为既然声波、水波等机械波，都是在某当时人们认为既然声波、水波等机械波，都是在某当时人们认为既然声波、水波等机械波，都是在某种介质中的机械振动的传播现象，电磁波也应该是某种种介质中的机械振动的传播现象，电磁波也应该是某种种介质中的机械振动的传播现象，电磁波也应该是某种种介质中的机械振动的传播现象，电磁波也应该是某种充满空间的弹性媒质内的波动现象。该弹性介质就构成充满空间的弹性媒质内的波动现象。该弹性介质就构成充满空间的弹性媒质内的波动现象。该弹性介质就构成充满空间的弹性媒质内的波动现象。该弹性介质就构成电磁波传播的特殊参考系，电磁波传播速度电磁波传播的特殊参考系，电磁波传播速度电磁波传播的特殊参考系，电磁波传播速度电磁波传播的特殊参考系，电磁波传播速度c c是对以太是对以太是对以太是对以太这一特殊参考系而言的。也就是说，以太就是那个经典这一特殊参考系而言的。也就是说，以太就是那个经典这一特殊参考系而言的。也就是说，以太就是那个经典这一特殊参考系而言的。也就是说，以太就是那个经典时空观中的绝对参考系。时空观中的绝对参考系。时空观中的绝对参考系。时空观中的绝对参考系。22第六章 狭义相对论2.2.相对论的实验基础相对论的实验基础相对论的实验基础相对论的实验基础迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验 为了找出或证明这个绝对空间的存在，迈克尔逊和为了找出或证明这个绝对空间的存在，迈克尔逊和为了找出或证明这个绝对空间的存在，迈克尔逊和为了找出或证明这个绝对空间的存在，迈克尔逊和莫雷于莫雷于莫雷于莫雷于18871887年利用灵敏的干涉仪，企图测定沿地球不同年利用灵敏的干涉仪，企图测定沿地球不同年利用灵敏的干涉仪，企图测定沿地球不同年利用灵敏的干涉仪，企图测定沿地球不同方向传播的光速的差异，进而确定地球的绝对运动。如方向传播的光速的差异，进而确定地球的绝对运动。如方向传播的光速的差异，进而确定地球的绝对运动。如方向传播的光速的差异，进而确定地球的绝对运动。如果能够精确测定各个方向光速的差异，就可以确定地球果能够精确测定各个方向光速的差异，就可以确定地球果能够精确测定各个方向光速的差异，就可以确定地球果能够精确测定各个方向光速的差异，就可以确定地球相对于绝对参考系的运动，或者说相对于以太的运动。相对于绝对参考系的运动，或者说相对于以太的运动。相对于绝对参考系的运动，或者说相对于以太的运动。相对于绝对参考系的运动，或者说相对于以太的运动。假设太阳相对于以态静止，地球以假设太阳相对于以态静止，地球以假设太阳相对于以态静止，地球以假设太阳相对于以态静止，地球以3030千米千米千米千米/秒的速秒的速秒的速秒的速度绕太阳运动，在略去地球自转及其他不均匀运动所引度绕太阳运动，在略去地球自转及其他不均匀运动所引度绕太阳运动，在略去地球自转及其他不均匀运动所引度绕太阳运动，在略去地球自转及其他不均匀运动所引起的偏差后，地球的运动在实验持续的时间内可以看做起的偏差后，地球的运动在实验持续的时间内可以看做起的偏差后，地球的运动在实验持续的时间内可以看做起的偏差后，地球的运动在实验持续的时间内可以看做是匀速直线运动，因而地球可看作是一个惯性系统。实是匀速直线运动，因而地球可看作是一个惯性系统。实是匀速直线运动，因而地球可看作是一个惯性系统。实是匀速直线运动，因而地球可看作是一个惯性系统。实验时先使干涉仪的一臂与地球的运动方向平行，另一臂验时先使干涉仪的一臂与地球的运动方向平行，另一臂验时先使干涉仪的一臂与地球的运动方向平行，另一臂验时先使干涉仪的一臂与地球的运动方向平行，另一臂与地球的运动方向垂直，按照经典的理论，在运动的系与地球的运动方向垂直，按照经典的理论，在运动的系与地球的运动方向垂直，按照经典的理论，在运动的系与地球的运动方向垂直，按照经典的理论，在运动的系统中，光速应该各向不同，因而可看到干涉条纹；再使统中，光速应该各向不同，因而可看到干涉条纹；再使统中，光速应该各向不同，因而可看到干涉条纹；再使统中，光速应该各向不同，因而可看到干涉条纹；再使整个仪器转过整个仪器转过整个仪器转过整个仪器转过/2/2，就应该发现条纹的移动。，就应该发现条纹的移动。，就应该发现条纹的移动。，就应该发现条纹的移动。23第六章 狭义相对论实验装置实验装置实验装置实验装置:迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪SlMlM1M2T24第六章 狭义相对论说明：说明：说明：说明：由光源由光源由光源由光源S S发出的光线在半反射镜发出的光线在半反射镜发出的光线在半反射镜发出的光线在半反射镜MM上分为两束，上分为两束，上分为两束，上分为两束，一束通过一束通过一束通过一束通过MM，被，被，被，被MM1 1反射回到反射回到反射回到反射回到MM，再被，再被，再被，再被MM反射而达到反射而达到反射而达到反射而达到目镜目镜目镜目镜T T；另一束被；另一束被；另一束被；另一束被MM反射到反射到反射到反射到MM2 2，再反射回，再反射回，再反射回，再反射回MM而直达而直达而直达而直达目镜目镜目镜目镜T T。调整两臂长度使有效光程为调整两臂长度使有效光程为调整两臂长度使有效光程为调整两臂长度使有效光程为MMMM1 1=MM=MM2 2=l l。设。设。设。设地球相对于以太的运动速度地球相对于以太的运动速度地球相对于以太的运动速度地球相对于以太的运动速度v v沿沿沿沿MMMM1 1方向，则由于方向，则由于方向，则由于方向，则由于光线光线光线光线MMMM1 1MM与与与与MMMM2 2MM的传播时间不同，因而有光程的传播时间不同，因而有光程的传播时间不同，因而有光程的传播时间不同，因而有光程差，在目镜差，在目镜差，在目镜差，在目镜T T中将观察到干涉效应中将观察到干涉效应中将观察到干涉效应中将观察到干涉效应。25第六章 狭义相对论经典速度合成经典速度合成经典速度合成经典速度合成 按经典速度合成法则，当地球相对于以太的速度按经典速度合成法则，当地球相对于以太的速度按经典速度合成法则，当地球相对于以太的速度按经典速度合成法则，当地球相对于以太的速度为为为为v v 运动时，地球上发出的沿任意方向传播的光速运动时，地球上发出的沿任意方向传播的光速运动时，地球上发出的沿任意方向传播的光速运动时，地球上发出的沿任意方向传播的光速u u与与与与相对于以太参考系的光速相对于以太参考系的光速相对于以太参考系的光速相对于以太参考系的光速c c之间应满足之间应满足之间应满足之间应满足解出解出解出解出 u uc cu u v v地球地球地球地球太阳太阳太阳太阳26第六章 狭义相对论地球观察者所看到的沿地球观察者所看到的沿地球观察者所看到的沿地球观察者所看到的沿 方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为地球观察者所看到的逆地球观察者所看到的逆地球观察者所看到的逆地球观察者所看到的逆 方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为地球观察者所看到的垂直于地球观察者所看到的垂直于地球观察者所看到的垂直于地球观察者所看到的垂直于 方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为27第六章 狭义相对论光线光线光线光线MMMM1 1MM的传播时间的传播时间的传播时间的传播时间光线光线光线光线MMMM2 2MM的传播时间的传播时间的传播时间的传播时间两束光线的时间差为两束光线的时间差为两束光线的时间差为两束光线的时间差为28第六章 狭义相对论 当把仪器绕竖直轴顺时针旋转当把仪器绕竖直轴顺时针旋转当把仪器绕竖直轴顺时针旋转当把仪器绕竖直轴顺时针旋转/2/2，则，则，则，则MMMM2 2变成沿变成沿变成沿变成沿地球运动方向，地球运动方向，地球运动方向，地球运动方向，MMMM1 1变为变为变为变为垂直于地球运动方向。两束垂直于地球运动方向。两束垂直于地球运动方向。两束垂直于地球运动方向。两束光总的光程差为光总的光程差为光总的光程差为光总的光程差为=-=-，两种情况总，两种情况总，两种情况总，两种情况总光程差为光程差为光程差为光程差为两束光传播距离相同，如果速度不同，则存在光程差两束光传播距离相同，如果速度不同，则存在光程差两束光传播距离相同，如果速度不同，则存在光程差两束光传播距离相同，如果速度不同，则存在光程差在目镜中应该观察到静态的干涉效应。在目镜中应该观察到静态的干涉效应。在目镜中应该观察到静态的干涉效应。在目镜中应该观察到静态的干涉效应。29第六章 狭义相对论实验取：实验取：实验取：实验取：l l=1010米，米，米，米，=510=510-7-7米，米，米，米，v=v=3 103 104 4米米米米/秒秒秒秒 c=c=3 103 108 8米米米米/秒秒秒秒 当光程差的改变量等于光波的一个波长时，就引当光程差的改变量等于光波的一个波长时，就引当光程差的改变量等于光波的一个波长时，就引当光程差的改变量等于光波的一个波长时，就引起一条干涉条纹的移动，所以条纹移动的总数为起一条干涉条纹的移动，所以条纹移动的总数为起一条干涉条纹的移动，所以条纹移动的总数为起一条干涉条纹的移动，所以条纹移动的总数为 实验观察到只有小到移动条纹的实验观察到只有小到移动条纹的实验观察到只有小到移动条纹的实验观察到只有小到移动条纹的1/1001/100，但从来也没，但从来也没，但从来也没，但从来也没有看到过有看到过有看到过有看到过0.40.4个条纹的移动。个条纹的移动。个条纹的移动。个条纹的移动。得到得到得到得到30第六章 狭义相对论 迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验测不出条纹的移动，表明地球莫雷实验测不出条纹的移动，表明地球莫雷实验测不出条纹的移动，表明地球莫雷实验测不出条纹的移动，表明地球上沿各方向的光速相同，地球没有相对于以太的运动，上沿各方向的光速相同，地球没有相对于以太的运动，上沿各方向的光速相同，地球没有相对于以太的运动，上沿各方向的光速相同，地球没有相对于以太的运动，因而也就否定了绝对参考系的存在。因而也就否定了绝对参考系的存在。因而也就否定了绝对参考系的存在。因而也就否定了绝对参考系的存在。（1 1）坚持麦氏电磁理论，但不满足相对性原理（洛伦兹）坚持麦氏电磁理论，但不满足相对性原理（洛伦兹）坚持麦氏电磁理论，但不满足相对性原理（洛伦兹）坚持麦氏电磁理论，但不满足相对性原理（洛伦兹）（2 2）坚持相对性原理，放弃麦氏电磁理论）坚持相对性原理，放弃麦氏电磁理论）坚持相对性原理，放弃麦氏电磁理论）坚持相对性原理，放弃麦氏电磁理论 （庞加莱）（庞加莱）（庞加莱）（庞加莱）（3 3）坚持相对性原理和麦氏电磁理论，放弃伽里略变换）坚持相对性原理和麦氏电磁理论，放弃伽里略变换）坚持相对性原理和麦氏电磁理论，放弃伽里略变换）坚持相对性原理和麦氏电磁理论，放弃伽里略变换 爱因斯坦认为爱因斯坦认为爱因斯坦认为爱因斯坦认为麦氏麦氏麦氏麦氏电磁规律是普遍规律，电磁规律是普遍规律，电磁规律是普遍规律，电磁规律是普遍规律，并且并且并且并且电磁电磁电磁电磁规律和力学规律一样都应遵守相对性原理，规律和力学规律一样都应遵守相对性原理，规律和力学规律一样都应遵守相对性原理，规律和力学规律一样都应遵守相对性原理，两者两者两者两者都应保都应保都应保都应保留，需要改造的是伽利略变换。以这留，需要改造的是伽利略变换。以这留，需要改造的是伽利略变换。以这留，需要改造的是伽利略变换。以这两条两条两条两条作为作为作为作为基本假设基本假设基本假设基本假设，爱因斯坦成功地建立了狭义相对论。爱因斯坦成功地建立了狭义相对论。爱因斯坦成功地建立了狭义相对论。爱因斯坦成功地建立了狭义相对论。麦氏电磁理论麦氏电磁理论麦氏电磁理论麦氏电磁理论 相对性原理相对性原理相对性原理相对性原理 伽里略变换伽里略变换伽里略变换伽里略变换31第六章 狭义相对论物理学晴朗的天空中出现了两朵乌云物理学晴朗的天空中出现了两朵乌云 迈克耳逊迈克耳逊-莫雷实验结果与速度叠加原理矛盾莫雷实验结果与速度叠加原理矛盾 黑体辐射实验黑体辐射实验结果与能量连续矛盾结果与能量连续矛盾相相对对论论力力学学量量 子子 力力 学学19世纪末世纪末20世纪初物理学的三大发现世纪初物理学的三大发现经经 典典 力力 学学近近代代物物理理学学的的两两大大理理论论基基础础1895年发现年发现X光光1896年发现放射性年发现放射性1897年发现电子年发现电子32第六章 狭义相对论 1 1、狭义相对论的基本原理、狭义相对论的基本原理、狭义相对论的基本原理、狭义相对论的基本原理（1 1）相对性原理相对性原理相对性原理相对性原理 所有惯性系都是等价的。物理规律所有惯性系都是等价的。物理规律所有惯性系都是等价的。物理规律所有惯性系都是等价的。物理规律对于所有惯对于所有惯对于所有惯对于所有惯性系都性系都性系都性系都可以表为可以表为可以表为可以表为相同的数学形式。相同的数学形式。相同的数学形式。相同的数学形式。（2 2）光速不变原理光速不变原理光速不变原理光速不变原理 真空中的光速在真空中的光速在真空中的光速在真空中的光速在相对于任何相对于任何相对于任何相对于任何惯性系惯性系惯性系惯性系沿任一沿任一沿任一沿任一方向上方向上方向上方向上都恒为都恒为都恒为都恒为c c，并与光源的运动无关。，并与光源的运动无关。，并与光源的运动无关。，并与光源的运动无关。2 2 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理 洛沦兹变换洛沦兹变换洛沦兹变换洛沦兹变换（2014.06.10）33第六章 狭义相对论光速不变原理与牛顿时空观相矛盾光速不变原理与牛顿时空观相矛盾光速不变原理与牛顿时空观相矛盾光速不变原理与牛顿时空观相矛盾 所有最基本的时空概念，如同时性、距离、时间所有最基本的时空概念，如同时性、距离、时间所有最基本的时空概念，如同时性、距离、时间所有最基本的时空概念，如同时性、距离、时间和速度等都要重新加以讨论。和速度等都要重新加以讨论。和速度等都要重新加以讨论。和速度等都要重新加以讨论。34第六章 狭义相对论在经典时空观中同时性是绝对的在经典时空观中同时性是绝对的在经典时空观中同时性是绝对的在经典时空观中同时性是绝对的 设在设在设在设在t=tt=t=0=0时两个坐标系原点重合，此刻原点处发时两个坐标系原点重合，此刻原点处发时两个坐标系原点重合，此刻原点处发时两个坐标系原点重合，此刻原点处发出一个闪光，出一个闪光，出一个闪光，出一个闪光，1 1秒钟后闪光到