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第十五章 相對論簡介,15.1 相對論的誕生,一、問題的提出,如果有人對你說：“你頭腦中的一些概念是不科學的．”你相信嗎？,一、問題的提出,人們頭腦中的概念從科學性來講，可以分為兩類：第一類是科學的：第二類是經(jīng)驗的，但不是科學的．,一、問題的提出,請問： 1、標準尺的長度靜止時和運動時的長度是一樣嗎？ 2標準鐘的快慢運動時和靜止時是一樣嗎？在高山頂和山谷是一樣嗎？,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,1、空間：人們通常所說的空間量，不外乎線的長度、平面物曲面的面積、形體的體積等等．它們都可以用標準尺來量度．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,2、時間：通常，時間不外乎兩個事件的時間間隔、一個事件比另一個事件發(fā)生得早些或晚些、兩個事件同時發(fā)生等等．原則上時間都可以用標準鐘來量度．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,3牛頓在他所著的《自然哲學的數(shù)學原理》一書中寫道： 絕對的空間，本質上是與外界無關的，是同一的和靜止的． 絕對的時間，本質上是一種與外界物體無關的均勻流動． 這就是牛頓力學中的絕對空間和絕對時間概念．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,4、空時坐標 （1）空間坐標：需要3個空間量．比如：（x、y、z）． （2）空時坐標：需要4個數(shù)．比如：（x、y、z、t）．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,5、速度合成法則： （1）伽利略變換式：設有兩個參考系S和作勻速運動，且S/相對S沿X軸以速度v運動．則事件P在兩坐標系中變換關系是,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,5、速度合成法則： （2）速度合成法則：設質點在在S/中的速度為u/，則在S中的速度為 u=u/+v,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,6、慣性系：牛頓運動定律成立的參考系． 凡是相對于慣性系做勻速直線運動的參考系都是慣性系．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,7、牛頓力學中的相對性原理：牛頓運動定律的數(shù)學形式在所有的慣性系中都是相同的，或者說，牛頓運動定律的數(shù)學形式在伽利略變換是不變的．,二、幾個經(jīng)典概念和規(guī)律,7、牛頓力學中的相對性原理：（其它表述） （1）在任何兩個慣性系中做同一個力學實驗都會得到相同的結果； （2）用任何力學方法都無法將兩個慣性系分開； （3）對于描述力學現(xiàn)象，所有的慣系都是平權的．,三、經(jīng)典物理學的困難,1、在經(jīng)典物理學中，牛頓運動定律能夠描述所有力學現(xiàn)象． 2、在電磁學領域，麥克斯韋電磁場理論能描述所有的電磁學現(xiàn)象．并指出：在任一慣性系中，光速各向同性，大小都等于c． 3、問題：假設光S在中的速度是c，它在S/ 中的速度是多少？,,,但是實驗現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對運動，光速都是恒定的．,,,,v,光速＝,光速＝,19世紀后半葉和20世紀初，物理學家們曾經(jīng)猜想，有一種叫做以太的介質，彌漫在宇宙中，它是電磁波傳播時所需要的介質，拿以太做參考系時麥克斯韋的電磁理論才成立．今天看來，以太是某一特殊參考系的代表．麥克爾遜實驗表明不存在這樣的特殊參考系，實際上就是宣布宇宙間不存在以太．,麥克爾遜莫雷實驗,這一結論還特別為后來的很多精確的實驗所證實，最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實驗。它們都明確無誤地證明光速的測量結果與光源和測量者的相對運動無關，亦即與參照系無關。 可見光和電磁波的運動不服從伽利略相對原理.,任何參照系中測得的光在真空的速率都應該是一樣的．,當時人們?yōu)榱私鉀Q這個困難，提出了三種可能： （1）麥克斯韋電磁理論有錯，正確的電磁方程組應滿足伽利略不變性。 （2）牛頓力學與麥克斯韋電磁理論都對，但麥克斯韋電磁理論只在某一特殊的慣性系成立。 （3）牛頓力學與伽利略變換不對，應存在某種變換，麥克斯韋電磁理論在這種新的變換下具有不變性。這意味著經(jīng)典牛頓力學要作修改，修改后的力學方程在新的變換下具有不變性。,上述的矛盾使物理學家面臨兩個選擇，一是修正現(xiàn)有的理論，去迎合實驗結果（這相對比較容易，但常常無效）； 另一種主張徹底擺脫“麥克斯韋電磁理論只適用于某一特殊的慣性系”，創(chuàng)立全新的理論。愛因斯坦、龐加萊等人選擇了后者．并提出了兩個假設：,四、狹義相對論的兩個基本假設,1、狹義相對性原理 在不同的慣性參考系，一切物理規(guī)律都是相同的 2、光速不變原理 真空中的光速在不同的慣性參考系中是相同的，光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關系。,對兩個基本原理的正確理解,①自然規(guī)律不僅包括力學規(guī)律，還包括電磁學規(guī)律等其他所有的物理學規(guī)律； ②真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運動，也不依賴于光的傳播方向 ③幾十年來科學家采用各種先進的物理技術測量光速，結果都不違背光速不變原理。,相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內(nèi)容。這使人們想起英國詩人波譜歌頌牛頓的詩句:,自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說：“讓牛頓去吧，”于是一切都成為光明。 后人續(xù)寫道: 上帝說完多少年之后，魔鬼說：“讓愛因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。,