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第一節(jié) 相對論的誕生,牛頓的經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)就是以牛頓命名的三條定律，這一理論形成于十七世紀(jì)，在以后的兩個(gè)多世紀(jì)里，牛頓力學(xué)對科學(xué)和技術(shù)的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用，同時(shí)自身也得到了很大發(fā)展。但是，進(jìn)入二十世紀(jì)，物理學(xué)研究的領(lǐng)域開始深入到了微觀高速領(lǐng)域，這時(shí)人們發(fā)現(xiàn)牛頓力學(xué)在這些領(lǐng)域不再適用。物理學(xué)的發(fā)展要求對牛頓力學(xué)以及某些長期認(rèn)為是不言自明的基本觀念作出根本性的變革，物理學(xué)需要一場革命！ 二十世紀(jì)初誕生的相對論和量子力學(xué)就是這場從經(jīng)典物理向近代物理變革的標(biāo)志,一、經(jīng)典的相對性原理,1、慣性系： 牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系 相對于一個(gè)慣性參考系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一個(gè)參考系也是慣性系 2、伽利略相對性原理 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 還可表述為：在一個(gè)慣性參考系內(nèi)進(jìn)行的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都不能判斷這個(gè)慣性系是否相對于另一個(gè)慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)；或者說，任何慣性系都是平權(quán)的。,牛頓的伽利略相對性原理是作為基本假設(shè)提出來的，它之所以為人們接受承認(rèn)，一方面是牛頓力學(xué)在解決力學(xué)問題獲得的巨大功；另一方面觀察結(jié)果與人們的經(jīng)驗(yàn)相符。,但是十九世紀(jì)中葉，人們在研究與物體運(yùn)動(dòng)有關(guān)的電磁現(xiàn)象時(shí)，發(fā)現(xiàn)在電磁現(xiàn)象的規(guī)律不符合相對性原理,其中最典型的就是光速的問題,不同的參考系中觀察物體的運(yùn)動(dòng)情況可能不同，物體在空間移動(dòng)這一概念也是相對的．,,,光速恒定的特性，同運(yùn)動(dòng)的相對性原理之間似乎產(chǎn)生了矛盾？,但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對運(yùn)動(dòng)，光速都是恒定的．,,,,v,光速＝,光速＝,這一結(jié)論還特別為后來的很多精確的實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，最著名的是1887年邁克爾遜和莫雷所做的實(shí)驗(yàn)。它們都明確無誤地證明光速的測量結(jié)果與光源和測量者的相對運(yùn)動(dòng)無關(guān)，亦即與參照系無關(guān)。 可見光和電磁波的運(yùn)動(dòng)不服從伽利略相對性原理.,任何參照系中測得的光在真空的速率都應(yīng)該是這一數(shù)值,當(dāng)時(shí)人們?yōu)榱私鉀Q這個(gè)困難，提出了三種可能： （1）麥克斯韋電磁理論有錯(cuò)，正確的電磁方程組應(yīng)滿足伽利略不變性。 （2）牛頓力學(xué)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(xué)與伽利略變換不對，應(yīng)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(xué)要作修改，修改后的力學(xué)方程在新的變換下具有不變性。,二、相對性原理與電磁規(guī)律,19世紀(jì)后半葉和20世紀(jì)初，物理學(xué)家們曾經(jīng)猜想，有一種叫做以太的介質(zhì)，彌漫在宇宙中，它是電磁波傳播時(shí)所需要的介質(zhì)，拿以太做參考系時(shí)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(shí)驗(yàn)表明不存在這樣的特殊參考系，實(shí)際上就是宣布宇宙間不存在以太．,麥克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn),上述的矛盾使物理學(xué)家面臨兩個(gè)選擇，一是修正現(xiàn)有的理論，去迎合實(shí)驗(yàn)結(jié)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(gè)假設(shè)：,三、狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè),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(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系。,就是在看來如此簡單且最一般的兩個(gè)假設(shè)的基礎(chǔ)上愛因斯坦建立了一套完整的理論——狹義相對論,對兩個(gè)基本原理的正確理解,①自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律； ②強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)，也不依賴于光的傳播方向 ③幾十年來科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測量光速，結(jié)果都不違背光速不變原理。,小 結(jié),一、伽利略相對性原理 力學(xué)規(guī)律在任何慣性系中都是相同的 二、相對性原理與電磁規(guī)律發(fā)生矛盾 三、狹義相對論的兩個(gè)基本假設(shè) 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(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系。,相對論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)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。,