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1、1,第3章狭义相对论(Specialrelativity),QiqiharUniversity,18791955,AlbertEinstein,2,第3章狭义相对论3.1狭义相对论的建立3.2洛伦兹变换3.3时间延缓和长度收缩3.4相对论速度变换（自学）3.5相对论动力学基础*3.6广义相对论简介（自学）,3,教学要求（4学时）掌握狭义相对论两个基本假设，了解洛论兹变换；理解同时性的相对性、时间延缓和长度收缩；掌握质速关系、质能关系,4,历史背景,开尔文在迎接20世纪的新年献词：,“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰完善这所大厦”“在物理学晴朗的天空远处，还有两朵小小的
2、令人不安的乌云”。,第一朵乌云：测量地球相对“以太”运动的否定结果与存在绝对静止的“以太”参考系相矛盾。,第二朵乌云：黑体辐射规律与能量均分定理相矛盾。,这导致相对论和量子力学的诞生。,5,时间和空间，简称时空。,物理学对时空的认识可以分为三个阶段：牛顿力学阶段、狭义相对论阶段、广义相对论阶段。,狭义相对论是惯性系中的时空的理论，不能处理涉及引力的问题。,对时空性质的研究一直是物理学中的一个基本问题。,广义相对论则把相对论推广到任意参考系，是关于时空和引力的理论。,6,事件：具有确定的发生时间和确定的发生地点的物理现象。,例如：一个闪光在某一时刻t，到达某一地点（x,y,z）就是一个事件，其时
3、空坐标是（x,y,z,t）,一时空变换,时间和空间在两个惯性系之间的变换.,时空变换：同一事件P在两个惯性系中时空坐标（）和（）间的变换关系。,7,时间零点的定义：,当O和O重合时,伽利略坐标变换,伽利略速度变换,8,时空变换反映时间和空间与参考系选择的关系。,二绝对时空观和伽利略变换,牛顿力学认为，时间与空间互相独立，时间间隔和长度测量都是绝对的，即与参考系的选择无关。,绝对时空观：,牛顿力学的相对性原理,9,三狭义相对论的基本假设,历史背景,1864年麦克斯韦预言光是电磁波。根据电磁学理论，光在真空中的传播速率：,0、0：真空介电常量、真空磁导率，与参考系无关。,因此在任何惯性系中，光沿各
4、个方向的传播速率都等于c。,即：对于描述电磁波的传播来说，所有惯性系都是平等的。,10,光速不变与伽利略相对性原理（速度变换）矛盾；,（1）修改电磁学理论，让它服从伽利略相对性原理。,而电磁学理论正确性已被实验验证。,解决这一矛盾有三种可能的选择：,（2）认为伽利略相对性原理和电磁学理论都正确，,但电磁学定律只是在绝对静止的惯性系“以太”参考系中成立。,“以太”假说：光在真空中传播也需要介质，即“以太”。,“以太”充满整个宇宙空间，是绝对静止的；在“以太”中，沿各个方向的光速都是c。,11,如果“以太”真的存在，地球就要相对“以太”运动，在地面上沿不同方向的光速就应该有差别。,18811887
5、年期间，迈克耳孙和莫雷使用由迈克耳孙发明的干涉仪，寻找“以太”试图通过测量不同方向光速的差别来测量地球相对“以太”的运动，。,得到的是否定结果：,在地面上沿不同方向的光速相等，因此“以太”不存在。,12,把伽利略相对性原理加以推广，让电磁学理论服从推广后的相对性原理。,（3）爱因斯坦的作法：,他坚信相对性原理是自然界普遍规律的表现，揭示了同时性具有相对性，在1905年发表的题为论动体的电动力学的论文中，提出狭义相对论所依据的两条基本假设，创建了狭义相对论。,13,1.爱因斯坦相对性原理,对于描述物理定律（包括力学定律）来说，所有的惯性参考系都是平等的，不存在特殊的绝对惯性系。,2.光速不变原理
6、,在所有惯性系中，光在真空中的传播速率都等于c。或者说，无论光源和观察者如何运动，观察者测得的光速都等于c。,14,引导爱因斯坦提出光速不变原理和创建狭义相对论的基本线索是电磁学，而迈克耳孙莫雷实验的否定结果不占据主导地位。,参考物理学史（第2版）郭奕玲沈慧君,但是爱因斯坦还在学生时代就在思考光速与物体运动之间的关系，并高度评价迈克耳孙莫雷实验的科学意义。,15,但是他下不了决心放弃光的“以太”假说，认为运动物体长度的收缩是实际的收缩，而没有认识到这是不同惯性系之间进行时间测量的结果。,实际上，1904年法国物理学家庞加莱就提出了相对性原理。,当时很多科学家都对“以太”依依不舍。,16,u/c
7、0，回到伽利略变换。,1914年，荷兰物理学家洛伦兹以存在“以太”为前提，得到：,3-2洛伦兹变换,17,逆变换,3-2洛伦兹变换,从爱因斯坦的两条基本原理出发，可导出洛伦兹变换：,18,一同时性的相对性,绝对时空观认为：如果两个事件在某一惯性系中同时发生，则在任何其他惯性系中观测，这两个事件也一定同时发生,同时性的绝对性,在某一惯性系中同时发生的两个事件，在其他作相对运动的惯性系中观测就不一定同时发生了。,由洛伦兹变换可知，同时性是相对的：,3-3时间延缓和长度收缩,19,事件1：车厢后壁接收器接收到光信号.事件2：车厢前壁接收器接收到光信号.,3-3时间延缓和长度收缩,20,先发生,后发生
8、,同时发生,？,3-3时间延缓和长度收缩,21,在两个惯性系相对运动的方向上发生的两个事件，若在一个惯性系中这两个事件同时发生，则在另一惯性系中观测，总是处于运动后方的事件先发生。,洛伦兹、庞加莱他们都走近了相对论，却都没有抓住同时性的相对性这一关键性、革命性的思想，没能创立相对论。,只有26岁的爱因斯坦敢于质疑人们关于时间的原始观念，坚持同时性是相对的，才完成了这一历史的重任。,同时性的相对性：,3-3时间延缓和长度收缩,22,二时间延缓,在S系中这两个事件的时间间隔t：,时间延缓,时间的量度是相对的,3-3时间延缓和长度收缩,23,时间延缓效应：在一个惯性系中观测，另一个作匀速直线运动的惯
9、性系中同地发生的两个事件的时间间隔变长。,原时（固有时或同地时）：在某一参考系中同一地点发生的两个事件的时间间隔。,测时t（运动时间）:在相对观察者运动的惯性系中观测的这两个事件的时间间隔,时间延缓效应：原时最短（动钟比静钟走得慢）,3-3时间延缓和长度收缩,24,在一个惯性系中观测，在另一个运动惯性系中同一地点发生的任何过程（包括物理、化学和生命过程）的节奏要变慢。,时间延缓效应，纯属时空的性质，而不是钟的结构发生了变化。动钟和静钟的结构完全相同，放在一起时它们走得一样快。,1、时间延缓效应的实验验证,【例3.3】子的寿命实验（1941）,2、因果关系不变,【例3.4】（自学）,【阅读】孪生
10、子佯谬和孪生子效应,说明：,3-3时间延缓和长度收缩,25,测量要求：,三长度的收缩,标尺相对系静止,在S系中测量：,在系中测量：,固有长度,运动长度,3-3时间延缓和长度收缩,26,长度收缩:运动物体在运动方向上长度收缩.,长度收缩是一种相对效应,此结果反之亦然.,当时，.,相对观察者运动的长度变短；相对观察者静止的长度最长。,伽利略变换,火车钻洞假象实验。P56:3-37,思考：在哪里测长最长，哪里测长会变短？,测长比原长短,3-3时间延缓和长度收缩,27,长度收缩效应只发生在物体运动的方向上，在垂直方向上不收缩。,长度收缩效应纯属时空的性质，与在热胀冷缩现象中所发生的那种实在的收缩和膨胀
11、是完全不同的。,这常说成：纵向收缩，横向不收缩。,3-3时间延缓和长度收缩,28,爱因斯坦在巴黎法兰西学院讲演（1922）,29,作业:3-15，23，p213:22思考:3-1，2，4，93-6，8，11，19（3-7，10，18，20）,30,1961年，美国斯坦福大学的海尔弗利克在分析大量实验数据的基础上提出，寿命可以用细胞分裂的次数乘以分裂的周期来推算。对于人来说细胞分裂的次数大约为50次，而分裂的周期大约是2.4年，照此计算，人的寿命应为120岁。因此，用细胞分裂的周期可以代表生命过程的节奏。,设想有一对孪生兄弟，哥哥告别弟弟乘宇宙飞船去太空旅行。在各自的参考系中，哥哥和弟弟的细胞分
12、裂周期都是2.4年。但由于时间延缓效应，在地球上的弟弟看来，飞船上的哥哥的细胞分裂周期要比2.4年长，他认为哥哥比自己年轻。而飞船上的哥哥认为弟弟的细胞分裂周期也变长，弟弟也比自己年轻。,假如飞船返回地球兄弟相见，到底谁年轻就成了难以回答的问题。,阅读：孪生子效应与孪生子佯缪,31,问题的关键是，时间延缓效应是狭义相对论的结果，它要求飞船和地球同为惯性系。要想保持飞船和地球同为惯性系，哥哥和弟弟就只能永别，不可能面对面地比较谁年轻。这就是通常所说的孪生子佯谬.,如果飞船返回地球则在往返过程中有加速度，飞船就不是惯性系了。这一问题的严格求解要用到广义相对论，计算结果是，兄弟相见时哥哥比弟弟年轻。这种现象，被称为孪生子效应。,1971年，美国空军用两组Cs（铯）原子钟做实验。发现绕地球一周的运动钟变慢了20310ns，而按广义相对论预言运动钟变慢18423ns，在误差范围内理论值和实验值一致，验证了孪生子效应。,阅读：孪生子效应与孪生子佯缪,
