相对论运动学和动力学.ppt
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1、狭义相对论,运动学和动力学,在上世纪初,发生了三次概念上的革命,它们深刻地改变了人们对物理世界的了解,这就是狭义相对论(1905)、广义相对论(1916)和量子力学(1925)。,1879 1955,Albert Einstein,1 光速不变和爱因斯坦相对性原理,按照伽利略变换,光的传播速度,真的与参考系有关吗?,电磁学理论给出真空中电磁波的传播速度为,一、光速不变原理,其中 和 都是与参考系无关的常数。,真空中光速与参考系无关(即与光源的运动和观察者的运动无关),不服从伽利略变换。,1m是光在真空中1/299792458秒内所经过的距离。,1983年国际规定:真空中的光速为物理常数,1、M
2、ichelson-Morlay 实验(18811887),当时认为光在“以太”(ether)中以速度c传播。,实验目的:干涉仪转90,观测干涉条纹是否移动?,实验结果:条纹无移动(零结果)。以太不存在,光速与参考系无关。,二、光速不变原理的实验验证,设“以太”相对太阳静止。,干涉仪转90后,按照伽利略速度变换,,时间间隔变成,干涉仪转90引起时间差的变化为,由干涉理论,时间差的变化引起的移动条纹数,对于,但实验值为,与参考系无关。,但是,“发射理论”和“以太拖曳假说”似乎还可以维护以太的存在。,,这表明以太不存在,光速,2、双星观测结果否定发射理论,如果光速与光源运动有关,因此可能出现,同一时
3、刻观测到同一颗星处于不同位置,可见光速与光源运动无关。发射理论是不对的。,从未观测到。,同步加速器产生速度为0.99975 c 的 0,0+,沿0 运动方向测得的运动速度,与用静止辐射源测得的速度(光速c)极其一致!,还有其他实验否定发射理论,例如Phys.Lett.,T.Alvager at al,12(1964)260:,结果表明,光速与光源运动无关。,下面的恒星光行差现象,可以否定“以太拖曳”假说。,3、恒星的光行差(J.Bradley,1727),如果“以太”被地球拖曳,光到地球附近要附加速度u,观察恒星时望远镜不必倾斜。,光行差角:,以太拖曳假说也不对!,观察恒星时,望远镜必须倾斜。
4、,“还在学生时代,我就在想这个问题了。我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得出结论:如果我们承认麦克尔逊的零结果是事实,那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。”,爱因斯坦对麦克尔逊莫雷实验的评价:,三、光速不变原理的数学表达,因此,闪光波前的方程应该为,则有,令,在 轴上接收到闪光这一事件的时空关系。,光速不变原理数学表达,S 系:电力加磁力,按照伽利略变换:,还有一些电磁学规律不服从伽利略变换。,按照电磁学:,四、爱因斯坦相对性原理,例如,力与参考系无关,力与参考系有关!,修改电磁学定律,还是修改伽利略变换?,电磁学定律:实验验证是正确的,伽利略变换洛仑
5、兹(Lorentz)变换,绝对时空观相对论时空观,低速高速,伽利略变换:适用于低速情况。高速情况?,爱因斯坦:,修改伽利略变换,爱因斯坦论动体的电动力学1905,基本物理规律(包括力学规律)的方程,是洛仑兹变换下的协变式:,物理规律(包括力学规律)在一切惯性参考系中都具有相同的形式,即对物理规律来说,一切惯性系都是平等的。不存在任何一个特殊的惯性系,例如绝对静止的惯性系。,相对性原理:,在洛仑兹变换下,方程的形式不变。,2 洛仑兹变换,但洛仑兹导出他的时空变换时却以“以太”存在为前提,并认为只有t才代表真正的时间,而t只是一个辅助的数学量。,光速不变原理和爱因斯坦相对性原理所蕴含的时空观,应该
6、由一个时空变换来表达。早在1899年,洛仑兹就给出了惯性系间的时空变换式,即洛仑兹变换。,1905年,爱因斯坦则在全新的物理基础上得到这一变换关系。,事件:任意一个具有确定的发生时间和确定的发生地点的物理现象。,一、事件和时空变换,如,“一个粒子在某一时刻出现在某一位置”就是一个事件,粒子出现的时刻和位置就构成了该事件的时空坐标。,在讨论时空的性质时,我们总是用事件的时空坐标,或用事件的时空点来代表事件,而不去关心事件的具体物理内容,即不去关心到底发生了什么事情。,一个事件发生的时间和地点,称为该事件的时空坐标。,时空变换:同一事件在两个惯性系中的时空坐标和之间的变换关系。,不同形式的时空变换
7、,涉及在不同参考系中对时间和空间的测量,代表不同的时空性质,反映不同的时空观。,时空变换:,按照狭义相对论时空观,时空的变换关系应该用洛仑兹变换代替伽利略变换,而伽利略变换是洛仑兹变换在低速情况下的近似。,实际上,相对论不应依赖于光速不变这一电磁学规律。,相对性原理+光速不变 狭义相对论,二、洛仑兹变换,相对论可直接由相对性原理、空间的均匀和各向同性得到。但推导比较复杂。,当uc,伽利略变换,一般情况,时空变换(线性变换)的最简单形式为,要求 时:,因此,有,即,由相对性原理:,由光速不变原理确定的形式:,于是,得,由式,解出,即得,洛仑兹因子,用式 代入,得,因要求 时,则取,或写成,伽利略
8、变换(绝对时空),洛仑兹变换(相对论时空),伽利略变换是洛仑兹变换的低速近似:,1892年G.F.Fitzgerald 和 H.A.Lorentz 独立提出运动长度收缩的概念。,三、关于狭义相对论的主要的工作,1899年H.A.Lorentz 从“以太”论出发,导出了 Lorentz 变换。,1904年庞加莱提出物体质量随运动速度增加而增加,极限速度为光速 c。,1905年爱因斯坦 论动体的电动力学给出相对论的物理基础。,爱因斯坦的预言,其它人甚至都没想象过。,3 同时性的相对性和时间延缓,时间的概念与同时性相连系。,一、同时性的相对性,relativity of simultaneity a
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- 相对论 运动学 动力学
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