大學(xué)物理學(xué)：17-1相對(duì)論

1、概述(Summarize)19世紀(jì)末頁，牛頓定律在各個(gè)領(lǐng)域里都取得了很大的成功：在機(jī)械運(yùn)動(dòng)方面不用說，在分子物理方面，成功地解釋了溫度、壓強(qiáng)、氣體的內(nèi)能。在電磁學(xué)方面，建立了一個(gè)能推斷一切電磁現(xiàn)象的 Maxwell方程。另外還找到了力、電、光、聲-等都遵循的規(guī)律-能量轉(zhuǎn)化與守恒定律。當(dāng)時(shí)許多物理學(xué)家都沉醉于這些成績(jī)和勝利之中。他們認(rèn)為物理學(xué)已經(jīng)發(fā)展到頭了。 正于是1900年英國物理學(xué)家開爾文在瞻望20世紀(jì)物理學(xué)的發(fā)展的文章中說到： “但是，在物理學(xué)晴朗天空的遠(yuǎn)處，還有兩朵令人不安的烏云，-” “在已經(jīng)基本建成的科學(xué)大廈中，后輩的物理學(xué)家只要做一些零碎的修補(bǔ)工作就行了?！?-開爾文-這兩朵烏云是

2、指什么呢？黑體輻射實(shí)驗(yàn)邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)后來的事實(shí)證明，正是這兩朵烏云發(fā)展成為一埸革命的風(fēng)暴，烏云落地化為一埸春雨，澆灌著兩朵鮮花。普朗克量子力學(xué)的誕生相對(duì)論問世經(jīng)典力學(xué)量子力學(xué)相對(duì)論微觀領(lǐng)域高速領(lǐng)域今天來介紹相對(duì)論相對(duì)論-關(guān)于時(shí)空觀及時(shí)空與物質(zhì)關(guān)系的理論。相對(duì)論有狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論之分：關(guān)于慣性系時(shí)空觀的理論；狹義相對(duì)論（special relativity）廣義相對(duì)論（General relativity）關(guān)于一般參照系及引力的理論；愛因斯坦公眾謂之人類最高智慧的象征愛因斯坦的主要科學(xué)貢獻(xiàn)： 光的量子論、狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。阿爾伯特愛因斯坦1895年在瑞士阿勞州立中學(xué)學(xué)習(xí)。1900年

3、他在瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)畢業(yè)。1902年在伯爾尼的瑞士專利局被聘為三級(jí)技術(shù)員。1905年，愛因斯坦發(fā)表了六篇論文，提出了有劃時(shí)代意義的“光的量子論”、“狹義相對(duì)論”和“布朗運(yùn)動(dòng)理論”。 1、狹義相對(duì)論 僅限于慣性參照系，特別對(duì)微觀高速運(yùn)動(dòng)的粒子（1）狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本原理a、相對(duì)性原理b、光速不變?cè)恚?）有關(guān)時(shí)空結(jié)構(gòu)和物質(zhì)、運(yùn)動(dòng)聯(lián)系的一個(gè)時(shí)空 觀（2）洛倫茲變換（4）相對(duì)論動(dòng)力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)（5）質(zhì)能關(guān)系2、廣義相對(duì)論（1）等效原理和廣義相對(duì)性原理非慣性系處理成慣性參照系加速場(chǎng)和與引力場(chǎng)等效所有物理學(xué)規(guī)律對(duì)所有的參照系都成立（2）廣義相對(duì)論揭示時(shí)空結(jié)構(gòu)與物質(zhì)的統(tǒng)一性（3）天體物理的基本理論

4、基礎(chǔ)a、光束彎曲 當(dāng)光束通過引力場(chǎng)時(shí)，根據(jù)等效原理，它的軌道應(yīng)當(dāng)彎曲。例如：星光經(jīng)過太陽邊緣時(shí)，我們應(yīng)當(dāng)觀察到光束的“位移”，這種位移只有在日蝕時(shí)才可能發(fā)現(xiàn)。星太陽月亮地球（4）廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證b、引力紅移 原子或光子的振動(dòng)可以看作是最簡(jiǎn)單的時(shí)鐘。光子振動(dòng)頻率的變動(dòng)使光束的顏色向光譜的紅色端偏移，因此把它稱為引力紅移。 原子在引力大的地方發(fā)出的光波長變長，頻率 變短太陽是巨大的引力場(chǎng)的值：c、水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng) 行星實(shí)際上并不按橢圓運(yùn)動(dòng)，因?yàn)猷徑祗w的影響對(duì)這行星的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生攝動(dòng)。舉例：水星特別明顯地表現(xiàn)在所謂近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)上。按照開普勒的理論，行星每年都應(yīng)通過同一個(gè)近日點(diǎn)。但由觀察得知，這個(gè)軌

5、道點(diǎn)的位置相對(duì)于不動(dòng)的恒星每一百年約變化1o3320”。水星太陽近日點(diǎn)水星太陽近日點(diǎn)第17章 狹義相對(duì)論基礎(chǔ)17-1伽利略變換 經(jīng)典力學(xué)的舊時(shí)空觀17-2愛因斯坦假設(shè) 洛侖茲坐標(biāo)變換17-3 狹義相對(duì)論的時(shí)空觀；17-4狹義相對(duì)論動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)17-1伽利略坐標(biāo)變換 經(jīng)典力學(xué)時(shí)空觀一）伽利略坐標(biāo)變換（簡(jiǎn)稱“GT”）及經(jīng)典時(shí)空觀二)伽利略相對(duì)性原理（Galileo relativity principle ）例）一小車以速度 沿X軸運(yùn)動(dòng)，人在小車上打開手電筒，燈光在小車中（K系）以光速C傳播，則地面的人（K系）測(cè)得的光速為多大？由“GT”地面上的人測(cè)得的光速為：可見在“GT”下光速是沒有限度的或CX

6、X邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)一麥克斯韋方程組對(duì)伽利略變換不協(xié)變自牛頓定律建立起來以后，人們成功地解釋了力、熱、電、光、聲等現(xiàn)象，牛頓定律已達(dá)到了登峰造極的程度，人們對(duì)牛頓定律可以說是已經(jīng)達(dá)到了頂禮模拜、乃至迷信的程度。普遍認(rèn)為牛頓定律是萬能的。 19世紀(jì)60年代麥克斯韋建立了解釋電磁現(xiàn)象的方程-Maxwell Eqution。并導(dǎo)出了電磁波的方程。 式中：C為真空中的光速如何看待這個(gè)電磁波和光速呢？由于牛頓定律在人們頭腦中的統(tǒng)治地位。人們很自然地要與曾用牛頓定律成功解釋過的機(jī)械波來類比。機(jī)械波電磁波(光）1）依靠彈性媒質(zhì)傳播，其波速由彈性模量和媒質(zhì)密度決定。如聲波在空氣中傳播2）波速是相對(duì)于和靜止媒質(zhì)保

7、持相對(duì)靜止的參照系的波速。1）依靠彌漫宇宙的“以太”（Aether）傳播。C很大，故“以太”應(yīng)比鋼還硬且星體在其中運(yùn)動(dòng)時(shí)要暢行無阻。2）C是相對(duì)“以太”參照系的速度“以太”是宇宙間的絕對(duì)靜止參照 系。測(cè)得為：測(cè)得為：正于順風(fēng)與頂風(fēng)騎自行車感覺風(fēng)速不一樣一樣。uCuC風(fēng)1887年 1930年1958年1970年17-2 愛因斯坦假設(shè) 洛侖茲坐標(biāo)變換一、狹義相對(duì)論的兩條基本原理1）相對(duì)性原理：一切物理學(xué)定律對(duì)一切慣性系參照系都是等價(jià)的。2）光速不變?cè)?真空中的光速相對(duì)任何慣性系，沿任意方向恒為C，且與光源的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。光速為C光速為CC+vCv如果不滿足光速不變?cè)恚蚬P(guān)系將顛倒過，可是從來

8、沒有看到過這種現(xiàn)象。CXX注意：A）慣性系；B）真空中（介質(zhì)中的光速C=C/n）2）不要認(rèn)為狹義相對(duì)論是邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的直接結(jié)果，它是近半個(gè)世紀(jì)大量實(shí)驗(yàn)的總結(jié)；當(dāng)然邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)對(duì)確認(rèn)狹義相對(duì)論有重要影響。1）光速不變?cè)磉m用的條件那么，對(duì)應(yīng)狹義相對(duì)論的坐標(biāo)變換又是什么呢？二、洛侖茲坐標(biāo)變換（簡(jiǎn)稱“LT”）此坐標(biāo)變換是荷蘭人Lorentz發(fā)現(xiàn)的，他發(fā)現(xiàn)在這個(gè)變換下Maxwell方程具有不變性。1）時(shí)間、空間是均勻的，要求變換是線性的。所謂時(shí)空是均勻的，是指同一參照 系中某事件發(fā)生的時(shí)間間隔與空間間隔與它們?cè)谑裁磿r(shí)間發(fā)生、什么地點(diǎn)發(fā)生無關(guān)。L2L1XZYOL1=L2一樣長！XZYOH t1 t2=ABAB2）新的變換應(yīng)在低速狀態(tài)下變成為伽利略坐標(biāo) 變換以上稱為洛侖茲坐標(biāo)變換.簡(jiǎn)稱“LT”常令：注意：1）2）物質(zhì)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度為虛數(shù)，時(shí)空坐標(biāo)也變?yōu)榉駝t虛數(shù)，失去了時(shí)空坐標(biāo)的意義。速度變換