力學(xué)相對性原理,伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀

1、阿爾伯特阿爾伯特. .愛因斯坦愛因斯坦(1879-1955)前言前言:相對論產(chǎn)生的歷史背景和物理基礎(chǔ)相對論產(chǎn)生的歷史背景和物理基礎(chǔ)經(jīng)典物理經(jīng)典物理:伽利略時(shí)期伽利略時(shí)期 19世紀(jì)末世紀(jì)末(1900年以前年以前) 經(jīng)過經(jīng)過300年發(fā)展年發(fā)展,到達(dá)全盛的到達(dá)全盛的“黃金時(shí)代黃金時(shí)代”形成三大理論體系形成三大理論體系 1機(jī)械運(yùn)動(dòng)機(jī)械運(yùn)動(dòng):以牛頓定律和萬有引力定律為以牛頓定律和萬有引力定律為 基礎(chǔ)的基礎(chǔ)的 經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué)2電磁運(yùn)動(dòng)電磁運(yùn)動(dòng):以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)的經(jīng)典以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)的經(jīng)典電磁學(xué)電磁學(xué)3熱運(yùn)動(dòng)熱運(yùn)動(dòng):以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)的宏觀理論以熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)的宏觀理論(熱力學(xué)熱力學(xué));以分

2、子運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的微觀理論以分子運(yùn)動(dòng)為基礎(chǔ)的微觀理論(統(tǒng)統(tǒng)計(jì)物理學(xué)計(jì)物理學(xué))物理學(xué)家感到自豪而滿足物理學(xué)家感到自豪而滿足,兩個(gè)事例：兩個(gè)事例： 在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中,后輩物理學(xué)家后輩物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了.也就是在測也就是在測量數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面添加幾位有效數(shù)字而已量數(shù)據(jù)的小數(shù)點(diǎn)后面添加幾位有效數(shù)字而已. 開爾文（開爾文（18991899年除夕）年除夕） 理論物理實(shí)際上已經(jīng)完成了理論物理實(shí)際上已經(jīng)完成了,所有的微分方所有的微分方程都已經(jīng)解出程都已經(jīng)解出,青年人不值得選擇一種將來不青年人不值得選擇一種將來不會有任何發(fā)展的事去

3、做會有任何發(fā)展的事去做. 約利致普朗克的信約利致普朗克的信兩朵烏云：兩朵烏云：1 邁克爾孫邁克爾孫 -莫雷實(shí)驗(yàn)的莫雷實(shí)驗(yàn)的“零結(jié)果零結(jié)果”2 黑體輻射的黑體輻射的“紫外災(zāi)難紫外災(zāi)難”實(shí)驗(yàn)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論不符理論不符三大發(fā)現(xiàn)：三大發(fā)現(xiàn)：1. 電子電子:1894年年,英國英國,湯姆孫湯姆孫 因氣體導(dǎo)電理論獲因氣體導(dǎo)電理論獲1906年諾貝爾物理獎(jiǎng)年諾貝爾物理獎(jiǎng)2.X射線射線:1895年年,德國德國,倫琴倫琴 1901年獲第一個(gè)諾貝爾物理獎(jiǎng)年獲第一個(gè)諾貝爾物理獎(jiǎng)3.放射性放射性:1896年年,法國法國,貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾貝克勒爾發(fā)現(xiàn)鈾,居里夫居里夫婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳婦發(fā)現(xiàn)釙和鐳,共同獲得共同獲得1903年諾

4、貝爾物理獎(jiǎng)年諾貝爾物理獎(jiǎng)物理學(xué)還存在許多未知領(lǐng)域物理學(xué)還存在許多未知領(lǐng)域, ,有廣闊的發(fā)展前景有廣闊的發(fā)展前景. .兩朵烏云兩朵烏云暴風(fēng)驟雨暴風(fēng)驟雨20世紀(jì)初物理學(xué)危機(jī)世紀(jì)初物理學(xué)危機(jī) 物理學(xué)正在臨產(chǎn)中物理學(xué)正在臨產(chǎn)中,它孕育著的新理論將要它孕育著的新理論將要誕生了誕生了. 列寧列寧 相對論的思想基礎(chǔ)相對論的思想基礎(chǔ):對稱性觀念對稱性觀念 物理規(guī)律不因人物理規(guī)律不因人(參考系參考系)而異而異,參考系變換參考系變換應(yīng)該是物理定律的對稱操作應(yīng)該是物理定律的對稱操作.新理論新理論:相對論、量子力學(xué)相對論、量子力學(xué)深刻影響現(xiàn)代科技和人類生活深刻影響現(xiàn)代科技和人類生活 經(jīng)典物理經(jīng)典物理-牛頓力學(xué)、熱力學(xué)

5、牛頓力學(xué)、熱力學(xué)與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、麥克斯韋電磁理論與統(tǒng)計(jì)物理學(xué)、麥克斯韋電磁理論從時(shí)間上來分從時(shí)間上來分: 經(jīng)典物理經(jīng)典物理-1900年以前年以前近代物理近代物理-1900年以后年以后從內(nèi)容上來分從內(nèi)容上來分:近代物理近代物理-相對論和量子物理相對論和量子物理相對論：相對論： 狹義相對論適用于慣性系狹義相對論適用于慣性系廣義相對論適用于非慣性系和引力場廣義相對論適用于非慣性系和引力場18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)時(shí)空觀 事件事件:空間某一點(diǎn)和時(shí)間某一時(shí)刻空間某一點(diǎn)和時(shí)間某一時(shí)刻發(fā)生的某一現(xiàn)象發(fā)生的某一現(xiàn)象(如如:兩個(gè)粒子碰撞兩個(gè)粒子碰撞,跳

6、水運(yùn)動(dòng)員起跳跳水運(yùn)動(dòng)員起跳) 18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀一一 伽利略變換伽利略變換x xy yuo oz z ss*) , , , (),(tzyxtzyxPx xtuz z yy 系相對于系相對于 系以勻速沿系以勻速沿 軸運(yùn)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng),觀察觀察兩參照系中同一事件的時(shí)空關(guān)系兩參照系中同一事件的時(shí)空關(guān)系. SSx重重合合與與當(dāng)當(dāng)0oottxxyzzoS 系系pturrS系系uyo18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀1 坐標(biāo)變換分量式坐標(biāo)變換分量式或或ttzzyyutxxtt

7、zzyyutxx正變換正變換逆變換逆變換或或turrturr18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀2 速度變換速度變換速度變換分量式：速度變換分量式：正變換正變換zzyyxxuvvvvvv 逆變換逆變換 zzyyxxuvvvvvvu vv矢量式矢量式u vv或或18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀3 加速度變換加速度變換aazzyxxuvvvvvvy由伽利略速度變換由伽利略速度變換zzaayyaaxxaa得得18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略

8、變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀二二 力學(xué)相對性原理力學(xué)相對性原理 伽利略對勻速直線運(yùn)動(dòng)船艙內(nèi)現(xiàn)象生動(dòng)描述伽利略對勻速直線運(yùn)動(dòng)船艙內(nèi)現(xiàn)象生動(dòng)描述18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)規(guī)律在一切慣性系中數(shù)學(xué)形式不變力學(xué)規(guī)律在一切慣性系中數(shù)學(xué)形式不變 在一個(gè)慣性系中所做的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)在一個(gè)慣性系中所做的任何力學(xué)實(shí)驗(yàn),都都不能判斷該慣性系相對于其它慣性系的運(yùn)不能判斷該慣性系相對于其它慣性系的運(yùn)動(dòng)動(dòng). 體現(xiàn)對稱性思想體現(xiàn)對稱性思想 對于描述力學(xué)現(xiàn)象的對于描述力學(xué)現(xiàn)象的規(guī)律而言規(guī)律而言,一切慣性系彼此等價(jià)一切慣性系彼此等價(jià).理解：理解：18.1 力學(xué)相對性

9、原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀牛頓第二定律牛頓第二定律在在S系中有系中有 力學(xué)規(guī)律是以牛頓定律為基礎(chǔ)的力學(xué)規(guī)律是以牛頓定律為基礎(chǔ)的,所以一所以一切力學(xué)規(guī)律在所有的慣性系中具有相同的數(shù)切力學(xué)規(guī)律在所有的慣性系中具有相同的數(shù)學(xué)形式學(xué)形式 amamF在在 中中S) (mm Fam18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀三三 牛頓的絕對時(shí)空觀牛頓的絕對時(shí)空觀(經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀)1 時(shí)間的絕對性時(shí)間的絕對性設(shè)有兩個(gè)事件設(shè)有兩個(gè)事件 和和，1P2P21,tt:S21,tt: s11tt 22ttt

10、ttttt1212即時(shí)間是絕對的即時(shí)間是絕對的,與參考系無關(guān)與參考系無關(guān)18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀2 同時(shí)的絕對性同時(shí)的絕對性即同時(shí)是絕對的即同時(shí)是絕對的,與參考系無關(guān)與參考系無關(guān) 如在如在S系中兩事件同時(shí)發(fā)生系中兩事件同時(shí)發(fā)生,在在 系中來系中來觀察也是同時(shí)發(fā)生的觀察也是同時(shí)發(fā)生的 S0t0ttt 18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀3 空間間隔的絕對性空間間隔的絕對性 如測一根棒的長度如測一根棒的長度,假設(shè)棒靜止在假設(shè)棒靜止在 系中系中,沿沿x軸放置軸放置 S: S

11、21,xxS：21,xxt12xxllxxutxutxxxl121212)()(即空間間隔是絕對的即空間間隔是絕對的,與參考系無關(guān)與參考系無關(guān)18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀 (1) 牛頓的絕對時(shí)空觀牛頓的絕對時(shí)空觀:時(shí)間、空間彼此獨(dú)時(shí)間、空間彼此獨(dú)立而且與物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)無關(guān)立而且與物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)無關(guān). 絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流絕對的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自身在流逝著逝著,而且而且,由于其本性在均勻的由于其本性在均勻的,與任何其它與任何其它外界事物無關(guān)地流逝著外界事物無關(guān)地流逝著. 牛頓牛頓 絕對空間就其本質(zhì)而言絕對空間就其本質(zhì)而言

12、,是與任何外界事是與任何外界事物無關(guān)的物無關(guān)的,而且是永遠(yuǎn)相同和不動(dòng)的而且是永遠(yuǎn)相同和不動(dòng)的. 牛頓牛頓歸納歸納18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀 空間先于運(yùn)動(dòng)存在空間先于運(yùn)動(dòng)存在,是盛放物質(zhì)的容是盛放物質(zhì)的容器和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的舞臺器和物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的舞臺. (2) 絕對時(shí)空觀與人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)和絕對時(shí)空觀與人們?nèi)粘Ｉ罱?jīng)驗(yàn)和宏觀低速條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合宏觀低速條件下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果相符合.但在高但在高速運(yùn)動(dòng)情況下則不適用速運(yùn)動(dòng)情況下則不適用.18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀四四 伽利略

13、變換的困難伽利略變換的困難 因速度因速度 與參考系有關(guān)與參考系有關(guān),所以經(jīng)伽利略變換所以經(jīng)伽利略變換后洛侖茲力將發(fā)生變化后洛侖茲力將發(fā)生變化,經(jīng)典電磁定律不具有伽經(jīng)典電磁定律不具有伽利略變換不變性利略變換不變性.v帶電粒子受力帶電粒子受力:BqEqFv洛侖茲力洛侖茲力電場力電場力1 電磁現(xiàn)象不服從伽利略變換電磁現(xiàn)象不服從伽利略變換18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀 2 與高速運(yùn)動(dòng)與高速運(yùn)動(dòng)(光的傳播光的傳播)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符的實(shí)驗(yàn)結(jié)果不符真空中的光速真空中的光速: c由經(jīng)典電磁理論由經(jīng)典電磁理論-1800sm1031 c與參考系選擇無關(guān)

14、與參考系選擇無關(guān)由伽利略變換由伽利略變換:速度與參考系選擇有關(guān)速度與參考系選擇有關(guān).彼此矛盾！彼此矛盾！uuc)(uc地對車地對車光對地光對地光對車光對車vvv18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀對雙星星光的觀測對雙星星光的觀測,沒有類似結(jié)果！沒有類似結(jié)果！3 雙星觀察實(shí)驗(yàn)雙星觀察實(shí)驗(yàn)槍沿圓周平動(dòng)槍沿圓周平動(dòng),相對槍以相對槍以恒定速率恒定速率 u 發(fā)射子彈發(fā)射子彈.觀察者接收到的子彈密觀察者接收到的子彈密度會呈周期性變化度會呈周期性變化槍對地槍對地彈對槍彈對槍彈對地彈對地vvv接接收收屏屏18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)

15、空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀光速與光發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)無關(guān)光速與光發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)無關(guān),不遵從伽利略變換不遵從伽利略變換 對雙星星光的觀測對雙星星光的觀測,沒有發(fā)現(xiàn)由于伽利略變沒有發(fā)現(xiàn)由于伽利略變換引起的結(jié)果換引起的結(jié)果. 對對1054年超新星爆發(fā)光度衰變觀測等實(shí)驗(yàn)?zāi)瓿滦潜l(fā)光度衰變觀測等實(shí)驗(yàn)同樣沒有發(fā)現(xiàn)由于伽利略變換引起的結(jié)果同樣沒有發(fā)現(xiàn)由于伽利略變換引起的結(jié)果.雙星雙星:兩顆繞共同質(zhì)心做兩顆繞共同質(zhì)心做橢圓運(yùn)動(dòng)的恒星系橢圓運(yùn)動(dòng)的恒星系星星的華爾茲星星的華爾茲. .18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀相對性原理的普遍性相對性

16、原理的普遍性(對稱性對稱性)伽利略變換伽利略變換(經(jīng)典力學(xué)經(jīng)典力學(xué))電磁學(xué)定律電磁學(xué)定律三者無法協(xié)調(diào)三者無法協(xié)調(diào)解決困難的途徑解決困難的途徑: 1 否定相對性原理的普遍性否定相對性原理的普遍性,承認(rèn)慣性系對承認(rèn)慣性系對電磁學(xué)定律不等價(jià)電磁學(xué)定律不等價(jià),尋找電磁學(xué)定律在其中成立尋找電磁學(xué)定律在其中成立的特殊慣性系的特殊慣性系. 2 改造電磁學(xué)理論改造電磁學(xué)理論,重建具有對伽利略變換不重建具有對伽利略變換不變性的電磁學(xué)定律變性的電磁學(xué)定律.18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀 3 重新定位伽利略變換重新定位伽利略變換,改造經(jīng)典力學(xué)改造經(jīng)典力

17、學(xué),尋求對電磁理論和改造后的力學(xué)定律均為尋求對電磁理論和改造后的力學(xué)定律均為對稱操作的對稱操作的“新變換新變換” 1、2、無一例外遭到失敗無一例外遭到失敗,愛因斯坦選愛因斯坦選擇擇 3、取得成功、取得成功18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀愛因斯坦的選擇來自堅(jiān)定的信念愛因斯坦的選擇來自堅(jiān)定的信念: 自然的設(shè)計(jì)是對稱的自然的設(shè)計(jì)是對稱的,不僅力學(xué)規(guī)律在所不僅力學(xué)規(guī)律在所有的慣性系中有相同的數(shù)學(xué)形式有的慣性系中有相同的數(shù)學(xué)形式,所有的物理所有的物理規(guī)律都應(yīng)與慣性系的選擇無關(guān)規(guī)律都應(yīng)與慣性系的選擇無關(guān). 實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明實(shí)驗(yàn)結(jié)果說明,在所有慣性系

18、中在所有慣性系中,真空中的真空中的光速恒為光速恒為c ,伽利略變換以及導(dǎo)致伽利略變換伽利略變換以及導(dǎo)致伽利略變換的牛頓絕對時(shí)空觀有問題的牛頓絕對時(shí)空觀有問題,必須尋找新的變換必須尋找新的變換,建立新的時(shí)空觀建立新的時(shí)空觀.18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀 “愛因斯坦把方法倒了過來愛因斯坦把方法倒了過來, ,他不他不是從已知的方程組出發(fā)去證明協(xié)變性是從已知的方程組出發(fā)去證明協(xié)變性是存在的是存在的, ,而是把協(xié)變性應(yīng)當(dāng)存在這而是把協(xié)變性應(yīng)當(dāng)存在這一點(diǎn)作為假設(shè)提出來一點(diǎn)作為假設(shè)提出來, ,并且用它演繹并且用它演繹出方程組應(yīng)有的形式出方程組應(yīng)有的形式.”.” 洛侖茲洛侖茲18.1 力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀力學(xué)相對性原理、伽利略變換和經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀愛因斯坦愛因斯坦1931年會見年會見邁克爾孫邁克爾孫“我尊敬的我尊敬的邁克爾孫博士邁克爾孫博士,您開始工作時(shí)您開始工作時(shí),我我還是個(gè)孩子還是個(gè)孩子,只有只有1 1米高米高,正是您將