相對論的誕生

1、第一節(jié) 相對論的誕生世界物理年徽標(biāo)運(yùn)動的相對性中國古代研究：尚書緯考靈曜 “地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運(yùn)也。” 伽里略相對性原理關(guān)于兩種世界體系的對話： “理想船實(shí)驗(yàn)”伽里略速度變換公式 ：牛頓力學(xué)的不變性： 了解經(jīng)典的相對性原理伽利略相對性原理 1632年，伽利略發(fā)表了關(guān)于兩種世界體系的對話一書，其中對船艙里觀察到的現(xiàn)象有一段生動的描述：“船停著不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向各方向飛行，魚向各個方向隨意游動，水滴滴進(jìn)下面的罐中；你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不必比向另一方向用更多的力，你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相同。當(dāng)你仔細(xì)觀察這些事情之后，再

2、使船以任何速度前進(jìn)，只要運(yùn)動是勻速的，也不忽左忽右地擺動，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動還是停著不動”伽利略這段描述說明：在相對于地面做勻速直線運(yùn)動的船艙里所進(jìn)行的力學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀測，其結(jié)果與地面上的力學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀測結(jié)果沒有差異。不能根據(jù)在船艙內(nèi)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀測，來判斷船相對于地面是靜止還是運(yùn)動。正如地球以30千米/秒的速度相對太陽而運(yùn)動，我們卻絲毫沒有感覺地球在運(yùn)動一樣，也不能根據(jù)地面上的力學(xué)實(shí)驗(yàn)來直接判斷地球的公轉(zhuǎn)。這是因?yàn)榈孛嫔虾痛摾锏牧W(xué)規(guī)律具有相同的形式。牛頓第二定律的形式Fma，在靜止的船上和做勻速直線運(yùn)動的船上是相同的。牛頓運(yùn)動定律是

3、經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，凡是牛頓運(yùn)動定律成立的參照系，稱為慣性參照系，或簡稱慣性系。地面參照系是慣性系，相對地面做勻速直線運(yùn)動的船也是慣性系。一般而言，相對慣性系做勻速直線運(yùn)動的任何參照系，都是慣性系。牛頓運(yùn)動定律成立的參考系，稱為慣性參考系，簡稱慣性系牛頓運(yùn)動定律不成立的參考系，稱為非慣性系綜上所述，相對任何慣性系，力學(xué)規(guī)律都具有相同的形式。換言之，在描述力學(xué)的規(guī)律上，一切慣性系都是等價的。這一原理稱為伽利略相對性原理，或經(jīng)典力學(xué)的相對性原理。歷史背景歷史背景歷史背景伽 利 略（1564-1642）牛 頓（1642-1722）麥克斯韋（1831-1879）物理學(xué)關(guān)鍵概念的發(fā)展160019001800

4、1700力學(xué)熱力學(xué)電磁學(xué)2000相對論量子力學(xué)愛因斯坦（1879-1955） 以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場理論為代表的經(jīng)典物理學(xué)，到20世紀(jì)初，已經(jīng)取得了空前的成就。人類對物質(zhì)世界的認(rèn)識，已從宏觀低速物體的運(yùn)動規(guī)律逐漸擴(kuò)展到高速傳播的電磁波（包括光波）的場物質(zhì)運(yùn)動規(guī)律。 隨著對物質(zhì)運(yùn)動多樣性的認(rèn)識范圍逐步擴(kuò)大和深入的同時，也引起了對物質(zhì)運(yùn)動統(tǒng)一性問題的思考。1900年,著名物理學(xué)家開爾文在元旦獻(xiàn)詞中的名言： “ 在物理學(xué)的天空，一切都已明朗潔凈了，只剩下兩朵烏云，一朵與麥克耳孫-莫雷實(shí)驗(yàn)（尋找“以太”）有關(guān)，另一朵與黑體輻射有關(guān)?！?但他卻沒有料到，這兩朵小小的烏云正孕育著一場暴風(fēng)雨，并促成了近

5、代物理學(xué)的兩大理論支柱 相對論和量子力學(xué)的誕生。兩種哲學(xué)觀念“以太” 論的觀點(diǎn)：假設(shè)整個宇宙都充滿著一種絕對靜止的特殊媒質(zhì) “以太”（ether,又稱能媒）。它是優(yōu)于其它參考系的絕對參考系。物理定律在 “以太” 參考系中具有最簡單的形式，而對別的參考系，有可能要改變形式。電磁學(xué)定律在不同慣性系有不同的形式是正常現(xiàn)象。 在物理學(xué)史上企圖發(fā)現(xiàn) “以太” 曾作過許多努力（如：斐索實(shí)驗(yàn)、光行差測量、雙星周期測量以及麥克耳孫-莫雷精密的光干涉實(shí)驗(yàn)等），但沒有成功，最精密的實(shí)驗(yàn)所測到的也是“零結(jié)果”。愛因斯坦的觀點(diǎn)：相信自然界有其內(nèi)在的和諧規(guī)律。（必定存在和諧的力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律。）相信自然界存在普遍性的相

6、對性原理。（必定存在更普遍的相對性原理，對和諧的力學(xué)和電磁學(xué)規(guī)律都適用。）相信復(fù)雜多變的自然界，存在某種重要的不變性。電磁理論與經(jīng)典的運(yùn)動學(xué)理論的矛盾 19世紀(jì)中葉，麥克斯韋在總結(jié)前人研究電磁現(xiàn)象的基礎(chǔ)上，建立了完整的電磁理論，又稱麥克斯韋電磁場方程組。麥克斯韋電磁理論不但能夠解釋當(dāng)時已知的電磁現(xiàn)象，而且預(yù)言了電磁波的存在，確認(rèn)光是波長較短的電磁波，電磁波在真空中的傳播速度為一常數(shù)，c3.0108米/秒，并很快為實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。從麥?zhǔn)戏匠探M中解出的光在真空中的傳播速度與光源的速度無關(guān)。如果光波也和聲波一樣，是靠一種媒質(zhì)(以太)傳播的，那么光速相對于絕對靜止的以太就應(yīng)該是不變的?？茖W(xué)家們?yōu)榱藢ふ乙蕴?/p>

7、做了大量的實(shí)驗(yàn)，其中以美國物理學(xué)家邁克耳孫和莫雷實(shí)驗(yàn)最為著名。這個實(shí)驗(yàn)不但沒能證明以太的存在，相反卻宣判了以太的死刑，證明光速相對于地球是各向同性的。但是這卻與經(jīng)典的運(yùn)動學(xué)理論相矛盾。邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)干涉條紋 該實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖菧y量地球在以太中的速度(即以太風(fēng)的速度)。 倘若存在以太，光相對于以太的速度滿足速度疊加原理，則當(dāng)儀器擺放的位置不同時，光的速度不同，光程差不同，對應(yīng)的干涉條紋不同。由于地球相對于以太的速度很大，移動整個儀器時，干涉條紋會有明顯移動（計算可知會移動0.4個條紋），但結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)精度范圍內(nèi)（精度0.01個條紋），條紋幾乎未動。雙星觀測B雙星觀測兩顆繞共同重心 旋轉(zhuǎn)的恒星

8、OA、B光速與光源運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)的實(shí)例這里著重討論 B（伴星）的運(yùn)動BEu光速沿u光可追上BEBE光，并同時到達(dá) ，因此，伴星的像E不是一個亮點(diǎn)，而是一個亮弧。用伽利略的速度合成將會出現(xiàn)下述問題BE光速cu+v沿BEcuv光速沿1.E天文臺vvBAOvB2.若用兩種方法測量伴星的運(yùn)動周期：u路程BEBEu但光速一是測量伴星相繼兩次通過B點(diǎn)所經(jīng)歷的時間；二是測量伴星由B運(yùn)動到B 所經(jīng)歷的時間（半周期）乘二。兩種方法測所得結(jié)果并不相等，這是因?yàn)樵诘诙N方法中，信號傳送所需時間不同。, 宇宙中存在大量這種物理雙星，有些甚至肉眼也能分辨。精密的天文觀測表明，雙星的像是很清晰的兩個光點(diǎn)，沒有發(fā)現(xiàn)亮弧現(xiàn)象。而且兩種方法測周期的結(jié)果一樣。這只能用光速與光源運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)的觀點(diǎn)，才能得到圓滿的解釋。愛因斯坦分析了物理學(xué)的發(fā)展，特別是電磁理論，于1905年提出了狹義相對論。狹義相對論的基本原