狹義相對(duì)論（簡(jiǎn)介） 相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)課件

1、第六章 狹義相對(duì)論（簡(jiǎn)介）1. 相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)2. 相對(duì)論的基本原理 洛倫茲變換3. 相對(duì)論的時(shí)空理論經(jīng)典物理 1900年前后近代物理量子論相對(duì)論 微觀 高速 材料 天體1. 相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)1. 相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景2. 相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)S1. 相對(duì)論產(chǎn)生的歷史背景 速度相加 光速大小在不同參照系中不一樣（c v）？ 光速在哪個(gè)參照系里各向同性？ 電磁波的媒質(zhì) “以太”？vS2. 相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) Michelson-Morley 實(shí)驗(yàn)（1887年） 測(cè)光速太陽(yáng)靜止 （恒星，以太）地球運(yùn)動(dòng) 光速 實(shí)驗(yàn)精度能達(dá)到STM1M2MvM1Mlt1t2lM2MM相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 雙星系統(tǒng)：兩星繞其質(zhì)

2、心運(yùn)動(dòng) 實(shí)測(cè)：兩星光速相同地球 0 介子衰變成 2 光子： 0 + 0 介子的速度 0.9975 c c 實(shí)測(cè)：光子速度 c ，而非 2c結(jié)論：光速不依賴于參照系， 與光源速度無(wú)關(guān)2. 相對(duì)論的基本原理 洛倫茲變換1. 相對(duì)論的基本原理 2. 間隔不變性3. Lorentz 變換 t = 0 時(shí)，取 t = 0，且原點(diǎn) o 和 o 重合 P1, P2 兩點(diǎn)靜止，且距 o 均為 c t = t = 0 時(shí)，在 o = o 點(diǎn)發(fā)出光信號(hào) ： t = 1 時(shí)， P1, P2 同時(shí)接收到光信號(hào) ： P1 先收到光信號(hào) P2 后收到光信號(hào)矛盾??？ 經(jīng)典時(shí)空觀與光速不變性有深刻的矛盾！相對(duì)論的基本原理vx

3、ooP2P1事件 用 4 個(gè)參數(shù)描述 （ x, y, z, t ） ：( x, y, z , t ) ：( x, y, z, t ) 2. 間隔不變性兩者的關(guān)系 變換式 慣性系間，變換應(yīng)是線性的（一次方程） 光速不變性，對(duì)變換的限制：事件1：開始時(shí)，在原點(diǎn)發(fā)一光信號(hào) ：( 0, 0, 0, 0 ) ：( 0, 0, 0, 0 ) 事件2：后來，在另一點(diǎn)收到光信號(hào) ：( x, y, z , t ) ：( x, y, z, t ) 若兩事件不是以光信號(hào)聯(lián)系，則上式不等于零，但有間隔不變性 和 等價(jià)，也有定義：間隔 s2 事件 ( 0, 0, 0, 0 ) 與 ( x, y, z , t ) ：（連

4、續(xù)變換）間隔不變性間隔不變性：兩事件間隔與參照系無(wú)關(guān)一般，事件 ( x1, y1, z1, t1 ) 與 ( x2, y2, z2, t2 ) 的間隔同時(shí)不同地：同地不同時(shí)：間隔不變性（p.195/例1） 相對(duì)于 以速度 v 沿 x 方向運(yùn)動(dòng)， 上有一靜止光源S 和反光鏡 M，兩者相距 z0 。S 沿 z 軸發(fā)出閃光，經(jīng) M 反射后回到 S。求兩參考系觀察到的閃光發(fā)出到接收的時(shí)間和間隔。已知：v, z0 求： t, s, t, s 解： SMz0 間隔不變性（p.195/例1）結(jié)論： (1) 間隔不變 (2) 時(shí)間不同MSSz0 Lorentz 變換解得： 的原點(diǎn) o ：x = 0, x =

5、vtLorentz 變換逆變換當(dāng) v 0, r ct, 圓錐面內(nèi)，類時(shí)間隔 (3) s2 ct, 圓錐面外，類空間隔三種情況： (1) s2 = 0, r = ct, 兩事件用光信號(hào)聯(lián)系 (2) s2 0, r ct, 低于光速的作用聯(lián)系 (3) s2 ct, 兩事件沒有聯(lián)系相對(duì)論時(shí)空結(jié)構(gòu) 間隔的劃分是絕對(duì)的 不因參照系而變化 類時(shí)區(qū)域（圓錐內(nèi)）分為上下兩部分 上圓錐 將來 下圓錐 過去xcto光錐P絕對(duì)的！ 2. 因果律和相互作用的最大傳播速度 在類時(shí)區(qū)（包括類光，圓錐面）內(nèi)兩事件有聯(lián)系 因果事件：播種 收割， 射擊 鳥落下 因果是絕對(duì)的（先后次序絕對(duì)，因在前，果在后） 系 系事件1（因）：

6、（ x1, t1） （ x1, t1 ）事件2（果） ：（ x2, t2 ） （ x2, t2 ）3. 同時(shí)的相對(duì)性 在類空區(qū)（ r ct ），兩事件之間沒有聯(lián)系 （ r ct ，無(wú)法以不超過光速的傳遞速度相聯(lián)系） 系中 同時(shí) t2= t1 or t2 - t1= 0 不同地 x2 x1 or x2 - x1 0 系中 不同時(shí) 因而不存在因果關(guān)系，甚至先后也是相對(duì)的 系中 t2 t1 系中 有可能 t2 ct ），甚至先后也是相對(duì)的 系中 t2 t1 or t2 - t1 0 系中 只要不太小，上式有可能 1 系中，先后顛倒了！運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的延緩 ：t1 和 t2 ，x1 = x2 （同地，在 中

7、靜止不動(dòng)） ：C1C2CvC1C2Cv運(yùn)動(dòng)時(shí)鐘的延緩 ：t （固有時(shí) 靜止事件的時(shí)間） ：t （運(yùn)動(dòng)事件的時(shí)間變長(zhǎng)，時(shí)鐘變慢）or (1) 大量實(shí)驗(yàn)（如 + 介子壽命）證明時(shí)鐘延緩效應(yīng)(2) 時(shí)鐘延緩效應(yīng)的相對(duì)性（ 看 慢， 看 慢 ）(3) 雙生子佯謬，加速參照系的絕對(duì)效應(yīng) 事件：同時(shí)觀察尺兩端的位置 ：x1，x2（靜尺長(zhǎng)：l0 = x2 - x1） ：x1 ，x2 （動(dòng)尺長(zhǎng)：l = x2 - x1 ）5. 運(yùn)動(dòng)尺度的縮短vx1x2x1x2(1) 僅在運(yùn)動(dòng)方向上尺度縮短(2) 尺度縮短效應(yīng)的相對(duì)性（ 看 短， 看 短）運(yùn)動(dòng)尺度的縮短(1) 僅在運(yùn)動(dòng)方向上尺度縮短(2) 尺度縮短效應(yīng)的相對(duì)性（ 看 短， 看 短）(3) 時(shí)鐘延緩和長(zhǎng)度縮短是相關(guān)的 例：宇宙射線中的 子 （產(chǎn)生于大氣層頂部） 靜止壽命 2.2 10-6s 運(yùn)動(dòng)速度 （近光速） 計(jì)算（速度 壽命）得 穿越距離 660 m 實(shí)測(cè) 大部分 子能到達(dá)大氣層底部 地面系：運(yùn)動(dòng) 子 壽命變長(zhǎng) 時(shí)鐘變慢 子系：運(yùn)動(dòng)大氣層厚度變薄 長(zhǎng)度縮短(4) 不同參考系描述方法不同，但物理結(jié)論一致6. 速度變換公式 ：（ x, y, z, t ） 速度 ux , uy , uz ：（ x, y, z, t ） 速度 ux , uy , uz速度變換公式(1) 反變換：(2) 非相對(duì)論極限