第八章时空观的革命一相对论 ◆狭义相对论原理和洛仑兹变换 ◆相对论动力学
第八章 时空观的革命━━ 相对论 ◆狭义相对论原理和洛仑兹变换 ◆相对论动力学
第八章时空观的革命一相对论 狭义相对论原理 和洛仑兹变换 图36一5专利局时代的爱因斯坦
狭义相对论原理 和洛仑兹变换 第八章 时空观的革命━━ 相对论
一、牛顿绝对时空观和伽利略相对性原理 牛顿的绝对时空观：时间与空间相互独立，与物 质的存在和运动无关。 在操作上，这一思想体现在坐标变换和速度变换 等公式的应用中。如： FAC TAB TBc VAC VAB +VBC dac aaB agc
一、牛顿绝对时空观和伽利略相对性原理 时间与空间相互独立，与物 质的存在和运动无关。 牛顿的绝对时空观： r AC r AB r BC = + 在操作上，这一思想体现在坐标变换和速度变换 等公式的应用中。如： dt dr dt dr dt dr AC AB BC = + vAC vAB vBC = + aAC aAB aBC = + x B A AC r AB r BC r C x y y z z
特别地，当所涉及的参照系是惯性系时（不妨设B 参照系相对C参照系速度为山，方向沿x轴方向) 前述变换可以写为 x=x+ut J=y z= Vx=vx+u 这些变换 被称为伽 利略换
特别地，当所涉及的参照系是惯性系时（不妨设B 参照系相对C参照系速度为u，方向沿x轴方向） x x ut = + y= y z=z B A AC r AB r BC r C x y y 前述变换可以写为 z z vx = v x + u y y v = v z z v = v ax ax = ay ay = az az = 这些变换 被称为伽 利略换
伽利略换从数学上保证了伽利略相对性原理的 成立。因为在不同的惯性系之间，石=a 而力和质量也被牛顿认为是绝对的，即 疗='，m=m所以在两个参照系 中均有F'=m'，F=ma 因此，力学运动定律具有 伽利略变换不变性。对于 伽利略相 对性原理 任何一个惯性参考系，任 何力学规律都是等价的
伽利略换从数学上保证了伽利略相对性原理的 成立。因为在不同的惯性系之间， a = a 而力和质量也被牛顿认为是绝对的，即 F = F , m = m 所以在两个参照系 F ma F ma 中均有 = , = 因此，力学运动定律具有 伽利略变换不变性。对于 任何一个惯性参考系，任 何力学规律都是等价的。 伽利略相 对性原理
二 相对性原理与电磁场理论的“矛盾” V.D=Po 在不同的惯性参 7×E= aB 照系中，麦克斯 at 韦电磁场方程组 V.B=0 形式不一样！ aD V×H=苏+ Ot 由上述方程组，还可以导出真空中电磁波的传播方 程，并可以推得真空中电磁波传播速度为光速c。 而由伽利略变换可知，物体的速度和参照系有关， 那么，光速c是相对什么参照系的呢？以太？
二、相对性原理与电磁场理论的“矛盾” 在不同的惯性参 照系中，麦克斯 韦电磁场方程组 形式不一样！ v 由上述方程组，还可以导出真空中电磁波的传播方 程，并可以推得真空中电磁波传播速度为光速c。 而由伽利略变换可知，物体的速度和参照系有关， 那么，光速c是相对什么参照系的呢？ 以太？
三、解决矛盾的早期努力 1、迈克尔逊-莫雷实验 如果存在一种相对于绝对空间静止的以太，那么， 对于绕太阳公转并且自转的地球来说，应该可以 感觉到“以太风”的存在。 M, GM1之间往返时间： “以太”风 t= M c-v c+v G 2cl c2-v2 21
三、解决矛盾的早期努力 1、迈克尔逊-莫雷实验 G M2 M1 T S “以太”风 GM1之间往返时间： c v l c v l t + + − 1 = 2 2 2 c v cl − = 如果存在一种相对于绝对空间静止的以太，那么， 对于绕太阳公转并且自转的地球来说，应该可以 感觉到“以太风”的存在。 1 2 2 1 2 − = − c v c l
M 光对地球 的速度 在竖直方向，光对地球的 S 速度为√c2-v2。 T 所以，GM2之间往返时间： 2 t≠t, 所以，当千 t,= 1- 涉仪转过90°时，应该可以 观察到干涉条纹的移动。 但事实上并没有观察到条纹移动。也就是说
所以，GM2之间往返时间： 2 2 2 2 c v l t − = G M2 M1 T S 2 1 2 2 1 2 − = − c v c l 1 2 2 1 1 2 − = − c v c l t 所以，当干 涉仪转过90°时，应该可以 观察到干涉条纹的移动。 1 2 t t 但事实上并没有观察到条纹移动。也就是说， c v 光对地球 的速度 在竖直方向，光对地球的 速度为 c 2 − v 2
迈克尔逊-莫雷实验在 一朵乌云 检验以太方面失败了。 什么原因呢？ REPUBLIQUE DE GUINEE OFFICE DE LA POSTE GUINEENNE 750Fm 2、洛仑兹挽救以太的努力 在以太概念基础上建立起 电子论的荷兰物理学家洛 仑兹认为以太是存在的。 以太之所以看不到… H.A.Lorentz 1853-1928 Nobel prize in 1902
迈克尔逊-莫雷实验在 检验以太方面失败了。 什么原因呢？ 在以太概念基础上建立起 电子论的荷兰物理学家洛 仑兹认为以太是存在的。 2、洛仑兹挽救以太的努力 一朵乌云 H.A. Lorentz 1853-1928 Nobel prize in 1902 以太之所以看不到……
4=-),) 仪器旋转90°，居然条纹不移动，那就意味着 t=t2·什么情况下会出现这种结果呢？ 为了维护以太的概念，洛仑兹提出了长度收缩 假说：沿运动方向，1=lV1-v2/c2。 后来，为了进一步解决麦克斯韦方程组对不同惯 性系形式不同的问题，洛仑兹又提出了时间变换 的公式t'=t-vx/c2;
为了维护以太的概念，洛仑兹提出了长度收缩 2 2 0 假说：沿运动方向， l = l 1− v / c 。 后来，为了进一步解决麦克斯韦方程组对不同惯 性系形式不同的问题，洛仑兹又提出了时间变换 的公式 t = t − v x/ c 2 ； 1 , 2 1 2 2 1 − = − c v c l t 2 1 2 2 1 2 2 − = − c v c l t 仪器旋转900，居然条纹不移动，那就意味着 t1=t2 . 什么情况下会出现这种结果呢？