狹義相對(duì)論的基本原理洛倫茲變換式

一、歷史背景由麥克斯韋電磁場(chǎng)理論所給出真空中的光速由于ε0，μ0與參考系無關(guān)，因此c也應(yīng)該與參考系無關(guān)。即在任何參考系中測(cè)得的光在真空中的速率都應(yīng)是一樣的。（與伽利略變換矛盾）19世紀(jì)末電磁學(xué)有了很大發(fā)展，1865年麥克斯韋(Maxwell)總結(jié)出電磁場(chǎng)方程組；預(yù)言了電磁波的存在，并指出其速率各向均為c(真空中)；1888年赫茲(Hertz)在實(shí)驗(yàn)上證實(shí)了電磁波的存在。1這顯然和伽利略變換矛盾，按伽利略變換，光速在一個(gè)參考系中若是c，在另一參考系中必不是c。若有一運(yùn)動(dòng)參考系，它相對(duì)絕對(duì)參考系以速度運(yùn)動(dòng)，那么，由牛頓力學(xué)的相對(duì)性原理，光在運(yùn)動(dòng)參考系中的速度應(yīng)為光在絕對(duì)參考系中的速度光在運(yùn)動(dòng)參考系中的速度從上式可以看出，在運(yùn)動(dòng)參考系中，光的速度在各方向是不相同的。2球投出前結(jié)果:觀察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.如果光速不變，根據(jù)伽利略變換，計(jì)算下例中球被投出前后的瞬間，球所發(fā)出的光波達(dá)到觀察者的時(shí)間.球投出后3提出問題：但是按伽利略變換，電磁波相對(duì)于其他參考系（如地球）速率就不會(huì)各向均勻，而和此參考系相對(duì)于“以太”的速度有關(guān)。若此，如在地球上測(cè)光速，可能>c或<c.電磁場(chǎng)方程組在哪個(gè)參考系成立呢?為了不和伽利略變換矛盾，人們假設(shè)：宇宙中充滿了叫“以太(ether)”的物質(zhì)，電磁波靠“以太”傳播。把“以太”選作絕對(duì)靜止的參考系；電磁場(chǎng)方程組只在“以太”參考系中成立；電磁波在“以太”參考系中速率各向?yàn)閏。4如果能借助某種方法測(cè)出運(yùn)動(dòng)參考系相對(duì)于以太的速度，那么，作為絕對(duì)參考系也就被確定了。為此，歷史上曾有許多物理學(xué)家做過很多實(shí)驗(yàn)來尋找絕對(duì)參考系，但都得出了否定的結(jié)果。

其中最著名的是美國(guó)物理學(xué)家邁克爾孫和莫雷發(fā)明了“邁克爾孫干涉儀”，想測(cè)量沿地球運(yùn)動(dòng)方向的光速與垂直地球運(yùn)動(dòng)方向的光速之間的微小差別，來驗(yàn)證“以太”的存在（見馬文蔚《物理學(xué)》第四版下冊(cè)）。邁克爾孫等人在不同的地理?xiàng)l件、不同的季節(jié)條件下，進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)果得到的是“零結(jié)果”。后來又在德國(guó)、美國(guó)、瑞士多次重復(fù)該實(shí)驗(yàn)，得到的結(jié)果仍然相同的。5盡管邁克爾孫因此獲得了諾貝爾獎(jiǎng)，但是，他一直在檢查自己的實(shí)驗(yàn)什么地方有疏忽，70高齡時(shí)仍在做這方面的工作。直到他生命的最后時(shí)刻，他也沒明白為什么沒測(cè)出光速的差值。實(shí)驗(yàn)結(jié)論：①.以太不存在，光的傳播不需任何媒質(zhì)，可在真空中傳播，以太不能作絕對(duì)參照系。②.地球上各方向光速相同，與地球運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān)。邁克爾孫－莫雷實(shí)驗(yàn)結(jié)果給人們帶來了困惑，似乎相對(duì)性原理只適用于牛頓定律，而不能用于麥克斯韋的電磁理論。6困惑：是伽利略變換仍是正確的，而電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律不符合相對(duì)性原理呢？還是已發(fā)現(xiàn)的電磁現(xiàn)象的基本規(guī)律是符合相對(duì)性原理的，而伽利略變換（絕對(duì)時(shí)空觀）應(yīng)該修正呢？解決這一難題必須變革物理觀念。愛因斯坦(Einstein)深入分析了此問題，于1905年發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，認(rèn)為：物質(zhì)世界的規(guī)律應(yīng)該是統(tǒng)一的、和諧的，麥克斯韋方程組應(yīng)對(duì)所有慣性系成立，在任何慣性系中光速都是各向?yàn)閏。71）相對(duì)性原理：物理規(guī)律對(duì)所有的慣性系都是一樣的，具有相同的表達(dá)形式.這是牛頓相對(duì)性原理的推廣，使相對(duì)性原理適用于所有物理現(xiàn)象，包括電磁現(xiàn)象。二、愛因斯坦的狹義相對(duì)論基本假設(shè)這說明：一切物理規(guī)律(力、熱、光、電、…)對(duì)任何慣性系都有相同的形式；一切慣性系都是等價(jià)(平權(quán))的；任何物理實(shí)驗(yàn)都不能確定本參考系的速度。絕對(duì)運(yùn)動(dòng)或絕對(duì)靜止概念，從整個(gè)物理學(xué)中排除了.81）相對(duì)性原理：物理規(guī)律對(duì)所有的慣性系都是一樣的，具有相同的表達(dá)形式.二、愛因斯坦的狹義相對(duì)論基本假設(shè)2）光速不變?cè)恚喝魏螒T性系中，光在真空中的速率都相等（常量）。它與光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，即不依賴于慣性系的選擇.這樣，就必然拋棄了伽里略變換—拋棄了絕對(duì)時(shí)空觀。9愛因斯坦的哲學(xué)觀念：自然界應(yīng)當(dāng)是和諧而簡(jiǎn)單的.

理論特色：出于簡(jiǎn)單而歸于深?yuàn)W.AlbertEinstein(1879–1955)20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家,于1905年和1915年先后創(chuàng)立了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論,他于1905年提出了光量子假設(shè),為此他于1921年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),他還在量子理論方面具有很多的重要的貢獻(xiàn).10阿爾伯特．愛因斯坦（Albert．Einstein）1879年3月14日出生在德國(guó)西南距離慕尼黑八十五哩的烏耳姆城。父母都是猶太人。父親和叔叔合開了一個(gè)制造電器設(shè)備的小工廠。母親是受過中等教育的家庭婦女，非常喜歡音樂，在小愛因斯坦六歲時(shí)就教導(dǎo)他拉小提琴。這是一個(gè)和睦、愉快的家庭。親人們深愛著小愛因斯坦，但都為他的智力發(fā)育感到擔(dān)憂。愛因斯坦小時(shí)候并不活潑，三歲多還不會(huì)講話，父母很擔(dān)心他是啞巴，帶他去給醫(yī)生檢查。還好小愛因斯坦不是啞巴。11可是直到九歲時(shí)講話還不很通暢，所講的每一句話都必須經(jīng)過吃力但認(rèn)真的思考。小愛因斯坦是一個(gè)誠實(shí)的孩子，從不做違心的或騙人的事。在四、五歲時(shí)，愛因斯坦有一次臥病在床，父親送給他一個(gè)羅盤。當(dāng)他發(fā)現(xiàn)指南針不斷地指著固定的方向時(shí)，感到非常驚奇，覺得一定有什么東西深深地隱藏在這現(xiàn)象后面。他一連幾天很高興的玩這羅盤，還糾纏著父親和叔叔問了一連串問題。盡管他連“磁”這個(gè)詞都說不好，但他卻頑固地想要知道指南針為什么能指南。這種深刻和持久的印象，愛因斯坦直到六十七歲還能鮮明的回憶出來。12愛因斯坦在念小學(xué)和中學(xué)時(shí)，一般功課屬平常，唯有數(shù)學(xué)成績(jī)遠(yuǎn)在全班同學(xué)之上。由于他舉止緩慢，不愛同人交往，老師和同學(xué)都不喜歡他。

1905年愛因斯坦發(fā)表了《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》宣告了相對(duì)論的誕生。當(dāng)時(shí)26歲的愛因斯坦是瑞士專利局的一名雇員。13愛因斯坦對(duì)于科學(xué)事業(yè)的偉大貢獻(xiàn)是多方面的。他不僅僅是相對(duì)論的創(chuàng)始人，而且是一位多學(xué)科的理論研究家。即使他不是相對(duì)論的創(chuàng)始人，他仍然是科學(xué)史上最偉大的物理學(xué)家之一。他的科學(xué)業(yè)績(jī)主要包括四個(gè)方面：早期對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的研究；狹義相對(duì)論的創(chuàng)建；推動(dòng)量子力學(xué)的發(fā)展；建立了廣義相對(duì)論，開辟了宇宙學(xué)的研究途徑。1905年創(chuàng)建的狹義相對(duì)論和1921年創(chuàng)建的廣義相對(duì)論是愛因斯坦的最重要的科學(xué)研究成果，而1921年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)金則是由于他提出了光的量子概念和發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)定律而獲得的。列寧高度稱譽(yù)他是一位偉大的自然科學(xué)革新家。141）相對(duì)性原理：物理規(guī)律對(duì)所有的慣性系都是一樣的，具有相同的表達(dá)形式.2）光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑偈浅Ａ浚c光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，即不依賴于慣性系的選擇.愛因斯坦的狹義相對(duì)論基本假設(shè)由狹義相對(duì)論可以得到許多與我們的日常經(jīng)驗(yàn)相違背的、令人驚奇的重要結(jié)論。例如同時(shí)的相對(duì)性、長(zhǎng)度的收縮和時(shí)間的延緩。。伽利略變換與狹義相對(duì)論的基本原理不相容，因此需要尋找一個(gè)滿足狹義相對(duì)論的基本原理的變換式，愛因斯坦導(dǎo)出了這個(gè)變換式，一般稱為洛侖茲變換式，發(fā)表于1905年的《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》論文中。15洛侖茲—荷蘭物理學(xué)家，洛侖茲變換式是洛侖茲在1904年研究電磁場(chǎng)理論時(shí)提出的。第二年，愛因斯坦從狹義相對(duì)論基本原理出發(fā)獨(dú)立地導(dǎo)出了這個(gè)變換式，但這個(gè)變換式通常仍以洛侖茲命名。16有一洛倫茲變換在兩個(gè)慣性系中考察同一物理事件P—洛倫茲變換式17令洛倫茲變換式S′系S系正變換逆變換膨脹因子18(1)在相對(duì)論中，時(shí)、空密切聯(lián)系在一起（在x的式子中含有t，t式中含x)。洛倫茲變換式討論：(2)當(dāng)v<<c時(shí)，洛侖茲變換

伽利略變換。(3)若v

c,式等將無意義兩參考系的相對(duì)速度不能等于、大于c；任何物體相對(duì)另一物體的速度不能等于、大于c；

c是一切實(shí)際物體的速度極限。19但是由于受到根深蒂固的絕對(duì)時(shí)空觀的影響，洛侖茲面對(duì)已發(fā)現(xiàn)的相對(duì)時(shí)空表示式，沒有從中找到正確的物理含義。他說t是真正時(shí)間，t′是輔助量，僅為數(shù)學(xué)方便而引入的。洛侖茲變換公式是洛侖茲1904年在愛因斯坦發(fā)表相對(duì)論之前就推導(dǎo)出來，他已經(jīng)走到了相對(duì)論的邊緣。洛侖茲到1909年還不能使自己完全相信相對(duì)論，他說：“在今天很多人提出了與昨天他們說的話完全相反的主張，我不知道科學(xué)是什么了，怨恨自己不能在500年前死去。在他逝世前一年（1927年）他更肯定地說，對(duì)于他只有一個(gè)真正時(shí)間t

。20狹義相對(duì)論的時(shí)空觀:1）兩個(gè)事件在不同的慣性系看來，它們的空間關(guān)系是相對(duì)的，時(shí)間關(guān)系也是相對(duì)的，