相對(duì)論的誕生

1、第一節(jié) 相對(duì)論的誕生世界物理年徽標(biāo)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性中國(guó)古代研究：尚書(shū)緯考靈曜 “地恒動(dòng)而人不知，譬如閉舟而行不覺(jué)舟之運(yùn)也?！?伽里略相對(duì)性原理關(guān)于兩種世界體系的對(duì)話(huà)： “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(duì)性原理伽利略相對(duì)性原理 1632年，伽利略發(fā)表了關(guān)于兩種世界體系的對(duì)話(huà)一書(shū)，其中對(duì)船艙里觀察到的現(xiàn)象有一段生動(dòng)的描述：“船停著不動(dòng)時(shí)，你留神觀察，小蟲(chóng)都以等速向各方向飛行，魚(yú)向各個(gè)方向隨意游動(dòng)，水滴滴進(jìn)下面的罐中；你把任何東西扔給你的朋友時(shí)，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(wú)論向哪個(gè)方向跳過(guò)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(dòng)是勻速的，也不忽左忽右地?cái)[動(dòng)，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒(méi)有變化。你也無(wú)法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來(lái)確定，船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)”伽利略這段描述說(shuō)明：在相對(duì)于地面做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的船艙里所進(jìn)行的力學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)，其結(jié)果與地面上的力學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)結(jié)果沒(méi)有差異。不能根據(jù)在船艙內(nèi)的力學(xué)實(shí)驗(yàn)和觀測(cè)，來(lái)判斷船相對(duì)于地面是靜止還是運(yùn)動(dòng)。正如地球以30千米/秒的速度相對(duì)太陽(yáng)而運(yùn)動(dòng)，我們卻絲毫沒(méi)有感覺(jué)地球在運(yùn)動(dòng)一樣，也不能根據(jù)地面上的力學(xué)實(shí)驗(yàn)來(lái)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(xiàn)運(yùn)動(dòng)的船上是相同的。牛頓運(yùn)動(dòng)定律是

3、經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，凡是牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參照系，稱(chēng)為慣性參照系，或簡(jiǎn)稱(chēng)慣性系。地面參照系是慣性系，相對(duì)地面做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的船也是慣性系。一般而言，相對(duì)慣性系做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的任何參照系，都是慣性系。牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系，稱(chēng)為慣性參考系，簡(jiǎn)稱(chēng)慣性系牛頓運(yùn)動(dòng)定律不成立的參考系，稱(chēng)為非慣性系綜上所述，相對(duì)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(jià)的。這一原理稱(chēng)為伽利略相對(duì)性原理，或經(jīng)典力學(xué)的相對(duì)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(duì)論量子力學(xué)愛(ài)因斯坦（1879-1955） 以牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁場(chǎng)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(lèi)對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)，已從宏觀低速物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律逐漸擴(kuò)展到高速傳播的電磁波（包括光波）的場(chǎng)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。 隨著對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)多樣性的認(rèn)識(shí)范圍逐步擴(kuò)大和深入的同時(shí)，也引起了對(duì)物質(zhì)運(yùn)動(dòng)統(tǒng)一性問(wèn)題的思考。1900年,著名物理學(xué)家開(kāi)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(méi)有料到，這兩朵小小的烏云正孕育著一場(chǎng)暴風(fēng)雨，并促成了近

5、代物理學(xué)的兩大理論支柱 相對(duì)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(gè)宇宙都充滿(mǎn)著一種絕對(duì)靜止的特殊媒質(zhì) “以太”（ether,又稱(chēng)能媒）。它是優(yōu)于其它參考系的絕對(duì)參考系。物理定律在 “以太” 參考系中具有最簡(jiǎn)單的形式，而對(duì)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?，F(xiàn)象。 在物理學(xué)史上企圖發(fā)現(xiàn) “以太” 曾作過(guò)許多努力（如：斐索實(shí)驗(yàn)、光行差測(cè)量、雙星周期測(cè)量以及麥克耳孫-莫雷精密的光干涉實(shí)驗(yàn)等），但沒(méi)有成功，最精密的實(shí)驗(yàn)所測(cè)到的也是“零結(jié)果”。愛(ài)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(duì)性原理。（必定存在更普遍的相對(duì)性原理，對(duì)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(dòng)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(chēng)麥克斯韋電磁場(chǎng)方程組。麥克斯韋電磁理論不但能夠解釋當(dāng)時(shí)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(zhǎng)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(wú)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(duì)于絕對(duì)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(guó)物理學(xué)家邁克耳孫和莫雷實(shí)驗(yàn)最為著名。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不但沒(méi)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(duì)于地球是各向同性的。但是這卻與經(jīng)典的運(yùn)動(dòng)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(cè)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(duì)于以太的速度滿(mǎn)足速度疊加原理，則當(dāng)儀器擺放的位置不同時(shí)，光的速度不同，光程差不同，對(duì)應(yīng)的干涉條紋不同。由于地球相對(duì)于以太的速度很大，移動(dòng)整個(gè)儀器時(shí)，干涉條紋會(huì)有明顯移動(dòng)（計(jì)算可知會(huì)移動(dòng)0.4個(gè)條紋），但結(jié)果是在實(shí)驗(yàn)精度范圍內(nèi)（精度0.01個(gè)條紋），條紋幾乎未動(dòng)。雙星觀測(cè)B雙星觀測(cè)兩顆繞共同重心 旋轉(zhuǎn)的恒星

8、OA、B光速與光源運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)的實(shí)例這里著重討論 B（伴星）的運(yùn)動(dòng)BEu光速沿u光可追上BEBE光，并同時(shí)到達(dá) ，因此，伴星的像E不是一個(gè)亮點(diǎn)，而是一個(gè)亮弧。用伽利略的速度合成將會(huì)出現(xiàn)下述問(wèn)題BE光速cu+v沿BEcuv光速沿1.E天文臺(tái)vvBAOvB2.若用兩種方法測(cè)量伴星的運(yùn)動(dòng)周期：u路程BEBEu但光速一是測(cè)量伴星相繼兩次通過(guò)B點(diǎn)所經(jīng)歷的時(shí)間；二是測(cè)量伴星由B運(yùn)動(dòng)到B 所經(jīng)歷的時(shí)間（半周期）乘二。兩種方法測(cè)所得結(jié)果并不相等，這是因?yàn)樵诘诙N方法中，信號(hào)傳送所需時(shí)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(cè)表明，雙星的像是很清晰的兩個(gè)光點(diǎn)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)亮弧現(xiàn)象。而且兩種方法測(cè)周期的結(jié)果一樣。這只能用光速與光源運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)的觀點(diǎn)，才能得到圓滿(mǎn)的解釋。愛(ài)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(duì)論。狹義相對(duì)論的基本原