物理相對論量子力學(xué)

相對論第14章TheoryofRelativityChapter14學(xué)習(xí)本章的正確態(tài)度1)超越自我認(rèn)識的局限2)自覺擺脫經(jīng)驗的束縛

--以事實為依據(jù)愛因斯坦

20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家之一，1879年3月14日出生于德國烏爾姆，1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)。1905年，愛因斯坦在科學(xué)史上創(chuàng)造了史無前例的奇跡。這一年的3月到9月半年中，利用業(yè)余時間發(fā)表了6

篇論文，在物理學(xué)3

個領(lǐng)域作出了具有劃時代意義的貢獻(xiàn)—創(chuàng)建了光量子理論、狹義相對論和分子運動論。愛因斯坦在1915年到1917年的3年中，還在3

個不同領(lǐng)域做出了歷史性的杰出貢獻(xiàn)—建成了廣義相對論、輻射量子理論和現(xiàn)代科學(xué)的宇宙論。愛因斯坦獲得1921年的諾貝爾物理學(xué)獎愛因斯坦:Einstein現(xiàn)代時空的創(chuàng)始人二十世紀(jì)的哥白尼第十四章相對論

TheoryofRelativity§14-1伽利略變換式牛頓的絕對時空觀§14-2邁克耳孫-莫雷實驗§14-3狹義相對論的基本原理洛倫茲變換式§14-4

狹義相對論的時空觀§14-6

相對論性動量和能量重點

§4-1伽利略變換式牛頓的絕對時空觀

GalileanTransformation一、力學(xué)的相對性原理一樣！絕對時空

這是牛頓天才的一個標(biāo)志相對不同的參照系，長度和時間的測量結(jié)果都一樣嗎？Newton1642—1727Einstein1879—1955

§4-1伽利略變換式牛頓的絕對時空觀

GalileanTransformation一、力學(xué)的相對性原理GalileoGalilei1564—1642不能區(qū)分船是靜止還是勻速直線運動在一切慣性系中力學(xué)規(guī)律相同伽利略封閉船艙里的力學(xué)實驗

§4-1伽利略變換式牛頓的絕對時空觀

GalileanTransformation

在彼此作勻速直線運動的所有慣性系中，物體運動所遵循的力學(xué)規(guī)律是完全相同的，具有完全相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式。即在研究力學(xué)規(guī)律時，一切慣性系是等價的。

在一切慣性系內(nèi)的任何力學(xué)實驗都不能確定該慣性系是靜止的還是作勻速直線運動的，因此要確切知道某一慣性系本身是否“絕對靜止”，則用任何力學(xué)實驗都不可能辦到。-----------力學(xué)的相對性原理

力學(xué)定律在一切慣性系中都是相同的，即所有慣性系都是等價的。一、力學(xué)的相對性原理二、伽利略變換

GalileanTransformation

1、坐標(biāo)系的建立在兩個慣性系中考察同一物理事件S系慣性系

是S'系相對S系運動的速度系慣性系yxZoS系

系當(dāng)時兩坐標(biāo)系的原點O與相重合。2、實際觀測t時刻在P點發(fā)生任一事件伽利略變換yxZoS系

系(x,y,z,t)逆變換正變換3、速度變換與加速度變換兩個都是慣性系，是恒量在兩個不同的慣性系中

自不同的慣性系，所觀測到的同一質(zhì)點運動的加速度是相同的，即物體的加速度具有伽利略變換下的不變性。三、牛頓定律具有伽利略變換不變性

牛頓力學(xué)規(guī)律（包括動量守恒定律、機(jī)械能守恒定律等）在伽利略變換下形式不變。結(jié)論：在牛頓力學(xué)中質(zhì)量與運動無關(guān)力與參考系無關(guān)四、經(jīng)典力學(xué)的時空觀1、事件所經(jīng)歷的時間與參照系的選擇無關(guān)無論從哪個慣性系進(jìn)行觀測事件所經(jīng)歷的時間間隔都相同2、空間兩點間的距離與參照系的選擇無關(guān)無論從哪個慣性系進(jìn)行觀測兩點間的距離都相同3、經(jīng)典力學(xué)的絕對時空觀時間具有絕對性，空間具有絕對性，時間和空間是彼此分離不相關(guān)的

“宇宙系統(tǒng)的中心是不動的”；…“絕對空間是這樣的，按照其本身的性質(zhì)與無論什么樣的其他任何事物無關(guān)，永遠(yuǎn)保持靜止…”；“絕對時間是這樣的，按其本身的性質(zhì)與別的任何事物無關(guān)，平靜地流逝著?！?--牛頓《自然哲學(xué)之?dāng)?shù)學(xué)原理》§14-2邁克耳孫-莫雷實驗

TheMichelson-MorleyExperiment§14-3狹義相對論的基本原理

Principle

of

Special

Relativity

洛倫茲變換式

LorentzTransformation一、矛盾與機(jī)遇

1865

年麥克斯韋在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上，提出完整的電磁場理論。在1999年，英國廣播公司（BBC）所評選出的1000年來最偉大的10位思想家中麥克斯韋與馬克思、愛因斯坦、牛頓等人一起榜上有名，他排名第九。后由英國雜志《物理世界》在100位著名物理學(xué)家中選出的10位最偉大者中，麥克斯韋緊跟愛因斯坦和牛頓排名第三。麥克斯韋JamesClerkMaxwell1831--1879

一、矛盾與機(jī)遇麥克斯韋方程組（Maxwellequations）一、矛盾與機(jī)遇1、麥克斯韋方程組不具備伽利略變換不變性a)

若伽利略變換正確，麥克斯韋方程組就必須修正;b)

若麥克斯韋方程組正確，則伽利略變換就必須修正.以太理論的提出

人們在研究機(jī)械波（例如聲波）的傳播過程，發(fā)現(xiàn)機(jī)械波的傳播必須有彈性媒質(zhì)。當(dāng)時的物理學(xué)家認(rèn)為可以用這個框架來解釋一切波動現(xiàn)象。

19世紀(jì)中期，麥克斯韋建立的電磁場理論，指出光是電磁波，并提出光是在以太中傳播的假說。

麥克斯韋方程組在伽利略變換下，對不同的慣性系具有不同的形式。一、矛盾與機(jī)遇1、麥克斯韋方程組不具備伽利略變換不變性a)

若伽利略變換正確，麥克斯韋方程組就必須修正;b)

若麥克斯韋方程組正確，則伽利略變換就必須修正.以太理論的提出

麥克斯韋方程組在伽利略變換下，對不同的慣性系具有不同的形式。

以太假說的主要內(nèi)容是：以太是傳播包括光波在內(nèi)的電磁波的彈性媒質(zhì)，它充満整個宇宙空間。以太中帶電粒子振動會引起以太變形，這種變形以彈性波的形式傳播，這就是電磁波。并且進(jìn)一步認(rèn)為以太就是人們一直在尋找的絕對靜止參考系，只有在這個參考系中光速才是與方向無關(guān)的恒量。一、矛盾與機(jī)遇2、光速問題

狹義相對論建立以前，人們認(rèn)為任何速度的疊加都滿足伽里略變換。但在光速領(lǐng)域里卻碰到了困難。

以太就是絕對空間。以太中電磁波沿各方向傳播的速度都等于恒量c。但在相對以太運動的慣性系中，按伽利略變換，電磁波沿各方向傳播的速度并不等于恒量c，如下圖中相對于光源運動的小車上所測得的光速。

由于地球自西向東轉(zhuǎn)，因此無論如何，光相對于地球的傳播速度不會是向各方向都相同的.因果關(guān)系

1731年，英國的一位天文愛好者比維斯發(fā)現(xiàn):

星云的形狀有點像螃蟹被取名為蟹狀星云(CrabNebula)

1920年，推算其膨脹開始時刻應(yīng)在860年前—公元1060年左右?！端螘酚涊d：“嘉佑元年三月，司天監(jiān)言，客星沒，客去之兆也。初，至和元年五月晨出東方，守天關(guān)，晝見如太白，芒角四出，色赤白，凡見二十三日?！薄端问贰と首诒炯o(jì)》

“（嘉佑元年三月）辛未，司天監(jiān)言:自至和元年五月，客星晨出東方，守天關(guān)，至是沒。”

當(dāng)一顆恒星在發(fā)生超新星爆發(fā)時,它的外圍物質(zhì)向四面八方飛散,即有些拋射物向著地球運動,

現(xiàn)研究超新星爆發(fā)過程中光線傳播引起的疑問.l=5000

光年物質(zhì)飛散速度ABA

點光線到達(dá)地球所需時間B

點光線到達(dá)地球所需時間l=5000

光年物質(zhì)飛散速度ABl=5000

光年物質(zhì)飛散速度AB

理論計算觀察到超新星爆發(fā)的強(qiáng)光的時間持續(xù)約。實際持續(xù)時間約為22個月,

這怎么解釋?3、邁克耳孫-莫雷實驗TheMichelson-MorleyExperiment著名的否定性實驗（1881～1887）,動搖了經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)。

時間差的改變將導(dǎo)致干涉儀干涉條紋的移動.但觀察的結(jié)果卻出乎意料，觀察不到預(yù)期值，多次改進(jìn)實驗仍是如此.實驗得到的結(jié)果困擾了當(dāng)時的科學(xué)界.

有一部分人不相信實驗的真實性，繼續(xù)改進(jìn)實驗設(shè)備做實驗。而且春天做了夏天做，秋天做了冬天做；平地做了高山做…實驗精度越來越高，能做實驗的人越來越多，乃至幾乎每個大學(xué)都能做，但結(jié)果仍然一樣，地球上的光速與地球速度無關(guān)。以后又有許多人在不同季節(jié)、時刻、方向上反復(fù)重做邁克耳孫-莫雷實驗．近年來,利用激光使這個實驗的精度大為提高,但結(jié)論卻沒有任何變化．

洛侖茲等人提出，可能是地球拖著“以太”一道運動，地球與以太之間沒有相對運動了，當(dāng)然測不出速度的差別，但是這一想法又被天文上的“光行差實驗”所否定?！肮庑胁顚嶒灐狈穸ǖ厍蛲现耙蕴边\動。

有一部分人不相信實驗的真實性，繼續(xù)改進(jìn)實驗設(shè)備做實驗。而且春天做了夏天做，秋天做了冬天做；平地做了高山做…實驗精度越來越高，能做實驗的人越來越多，乃至幾乎每個大學(xué)都能做，但結(jié)果仍然一樣，地球上的光速與地球速度無關(guān)。以后又有許多人在不同季節(jié)、時刻、方向上反復(fù)重做邁克耳孫-莫雷實驗．近年來,利用激光使這個實驗的精度大為提高,但結(jié)論卻沒有任何變化．

邁克耳孫-莫雷實驗測到以太漂移速度為零,對以太理論是一個沉重的打擊,被人們稱為是籠罩在19世紀(jì)物理學(xué)上空的一朵烏云.二、狹義相對論的兩個基本原理

（**重點**）1、相對性原理RelativityPrinciple

在所有慣性系中，一切物理定律的表示都是完全相同的，即具有完全相同的數(shù)學(xué)表達(dá)式，即在研究物理規(guī)律時，一切慣性系是等價的.2、光速不變原理PrincipleofConstancyofLightVelocity

在所有慣性系中，真空中光沿各方向傳播速率都等于一個恒量C,與光源和觀察者的速度無關(guān)

1905年26歲的愛因斯坦，不固守傳統(tǒng)的時空觀和經(jīng)典力學(xué)的觀念，在對實驗結(jié)果和前人工作進(jìn)行仔細(xì)分析和研究的基礎(chǔ)上，從一個全新的角度考慮所有問題，提出了(《論動體的電動力學(xué)》)狹義相對論的兩個基本假設(shè)：

三、洛倫茲變換LorentzTransformation

(重點)某事件在S系中的時空坐標(biāo)為:（x,y,z,t)同一事件在系中的時空坐標(biāo)為:yxZoS系

系(x,y,z,t)當(dāng)時兩坐標(biāo)系的原點O與相重合三、洛倫茲變換某事件在S

系中的時空坐標(biāo)為（x,y,z,t)同一事件在系中的時空坐標(biāo)為yxZoS系

系(x,y,z,t)當(dāng)時兩坐標(biāo)系的原點O與相重合正變換逆變換洛侖茲變換令: