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1、Harbin Engineering University孙秋华物物 理理 学学经典物理现代物理现代物理力学 热学 电磁学 光学 相对论相对论 量子论量子论 非线性非线性时间 t关关 键键 概概 念念 的的 发发 展展力学力学电磁学电磁学热学热学相对论相对论 量子论量子论1600 1700 1800 190019世纪笼罩在热和光的动力论上的阴影Harbin Engineering University孙秋华爱因斯坦的哲学观念：自然界应 当是和谐而简单的. 理论特色：出于简单而归于深奥.Albert EinsteinAlbert Einstein 20世纪最伟大的物理学家, 于1905 年和19
2、15年先后创立了狭义相对论和广 义相对论, 他于1905年提出了光量子假 设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学 奖, 他还在量子理论方面具有很多的重 要的贡献 .第章第章 狭义相对论基础狭义相对论基础Harbin Engineering University孙秋华相对论：相对论：给出了高速运 动物体的力学规律；并 从根本上改变了许多世 纪以来形成的时空观和 运动观，建立了新的时 空概念；揭示了质能关 系，并开始了万有引力 本质的研究。相对论分：狭义相对论 广义相对论A A君君B B君君Harbin Engineering University孙秋华 3.1 力学的相对性原理 力学的相对性原
3、理研究的问题: 在两个惯性系中考察同一物理事件实验室参考系运动参考系牛顿力学的绝对时空：长度和时间的测量与参照系无关！牛顿力学的绝对时空：长度和时间的测量与参照系无关！.1.1 .1.1 伽利略变换伽利略变换 在不同的惯性系中，考察同一物理事件。问题： PHarbin Engineering University孙秋华设：开始 t=t=0 时，O、O重合t时刻，物体到达P点分量式分量式: :正变换逆变换PHarbin Engineering University孙秋华惯性系结论：在两个惯性系中结论：在两个惯性系中速度变换正加速度变换逆惯性系Harbin Engineering Universi
4、ty孙秋华.1.2 .1.2 经典力学的相对性原理经典力学的相对性原理牛顿力学：相互作用是客观的，分析力与参考系无关。质量 的测量与运动无关。宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变。或 牛顿力学规律是伽利略不变式。相对性原理：力学现象对一切惯性系来说，都遵从同样的规律；或说，研究力学规律时，一切惯性系 都是等价的。如：动量守恒定律、牛顿第二定律形式都保持不变如：动量守恒定律、牛顿第二定律形式都保持不变Harbin Engineering University孙秋华.1.3 .1.3 经典力学的时空观经典力学的时空观说明：空间（x, y, z)与时间t
5、 彼此独立，互不联系。任何事件所经历的时间间隔有绝对不变的量值；任何两点间的距离（即空间间隔）也有绝对不变的量值，它们与参照系的选择或观测者的运动状态无关。时空观：绝对的、真正的数学时间，就其本质而言永远均匀 流逝着， 与任何 外界事物无关；绝对的空间就其本质而言与任何外界事物无关，它从不运动，并且永远不变。（亦称绝对时空观）自然哲学的数学原理Harbin Engineering University孙秋华狭义相对论产生的历史背狭义相对论产生的历史背1.1.伽利略速度变换的困惑伽利略速度变换的困惑球 投 出 前试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者 所需要的时间. (根据伽利略变换
6、)一、设想两个人玩排球，甲击球给乙。乙看到球是因为球 发出的光到达了乙的眼睛。甲乙两人之间的距离为 ,球发 出的光相对于它的传播速度为c 。Harbin Engineering University孙秋华球 投 出 后在甲即将击球之前，球暂时处于静止状态，球发出的光相 对于地面的传播速度是c ，乙看到此情景的时刻比实际时刻 晚t =/c。在极短冲击力作用下，球出手时速度达到 v， 按上述经典的合成规律，此刻由球发出的光相对于地面的 速度为c+v ，乙看到此情景的时刻比实际时刻晚t ,= /c+v,显然,t t ,这就是说,乙先看到球出手,后看到甲即 将击球,这种先后颠倒的现象谁也没有看到过。H
7、arbin Engineering University孙秋华二、 900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆 发， 这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。 北宋天文学家记载从公元 1054年 1056年均能用肉眼观察 , 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 .物质飞散速度l = 5000 光年AB当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向四面 八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 现研究超新星爆发 过程中光线传播引起的疑问 .Harbin Engineering University孙秋华实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?理论计算观察到超新性爆发的强
8、光的时间持续约l = 5000 光年物质飞散速度ABA 点光线到达 地球所需时间B 点光线到达 地球所需时间Harbin Engineering University孙秋华2.电磁理论与经典力学的矛盾19世纪,一些人认为电磁波和机械波一样,是在某一种 媒质中传播的,该媒质被称为“以太”。认为以太是绝对静 止的,并弥漫于整个宇宙间,无色无味,具有极大的弹性模 量,但又不产生任何阻力等一些特性。地球在茫茫以太的海洋中漂泊的观察者乘坐的航船是地球, 地球以怎样的速度在以太的海洋中航行,在其中飞行的地球 上应该感到迎面吹来的以太风。如果在地面上让光线在平行 和垂直于以太风的方向上传播,它们应有不同的速
9、度。Harbin Engineering University孙秋华“以太”假说使麦克斯韦电磁理论和牛顿力学发生矛盾。 设有一个电磁信号,以速度 u 相对于以太传播,取以太为惯性 系S,则在S系中测得光速为 c ,按伽利略变换,在以恒定速度u 相对以太作匀速直线运动的另一惯性系S中观测者,测得光速 为c u (正负号分别相对于u 和c 的方向相反和相同),即麦克斯韦方程组中的光速在不同的惯性系中不具有等价性。这样就 出现了电磁定律和经典力学的基础-伽利略变换之间的矛盾 。如何解决这一矛盾,当时有如下三种不同意见:Harbin Engineering University孙秋华3.电磁理论与经典
10、力学矛盾处理的三种意见认为只存在一种适用于力学规律的相对性原理,但不适 用于电磁学。在电磁现象中存在一个特别优越的惯性系 以太 ,只有在以太这个绝对静止的参照系中麦克斯韦方程 中的光速 取值为即在以太参考系中光速各向同性,在其它性中光速不满足 各向同性。Harbin Engineering University孙秋华认为存在一种即适用于力学也适用于电磁学的相 对性原理,但电磁理论应当加以修正。认为存在一种即适用于力学也适用于电磁学的相 对性原理,但牛顿力学应当加以修正。19世纪的大多数物理学家为解决这个矛盾都选择了前两 种途径,即认为伽利略变换是正确的,以太也是存在的 由此引 出了历史上著名的
11、迈克尔逊-莫雷实验。 1887年,美国物理学家迈克尔逊和莫雷一起完成的就是这样 一种实验。实验的结果是否定的,测不到想象中的“以太风”对光速产生的任何影响。Harbin Engineering University孙秋华几代科学家为了找到“以太”设计了各种实验，其中最著名的实验即为：迈克尔逊 莫雷实验由经典力学时空观，时间和空间与观测者无关，是绝对不 变的。可设想：在所有的惯性系中一定存在一个相对空间静 止的参照系，而由力学相对性原理可知，不可能用力学方法 判断哪一个参照系是绝对静止的。这就促使人们用其它方法 来寻找绝对参照系。. . . 迈克尔逊迈克尔逊 莫雷实验莫雷实验测出地球相对测出地球
12、相对“ “以态以态” ”的运动效应。的运动效应。 3. 狭义相对论基本原理与洛伦兹坐标变换式Harbin Engineering University孙秋华M1M2G1G2光源光源平面镜平面镜平行玻璃平行玻璃显微镜显微镜Harbin Engineering University孙秋华设：PM1=PM2=L，仪器 相对地球静止， 地球相 对“以太”速度为u利用伽利略变换可得：光由PM1P所用时间光由PM2P所用时间，由于装置随地球运动，该光线所 走的实际光路如下图所示。SuLPTM1M2Harbin Engineering University孙秋华由几何关系：两光线的时间差：光程差：LM2PP
13、Out2Harbin Engineering University孙秋华将整个装置转900，此时，两光线正好互换，所需时间差：光 程 差：转动前后总的光程差：转动前后条纹移动数：若L=11m , =5.910-7m (Na光）, u=30km/s ,则有N=0.37 ! 结果：条纹不动！结果：条纹不动！ Harbin Engineering University孙秋华对于迈克耳逊莫雷实验，玻恩总结说：“光和电磁力除非与物体相联系是永不可能观察到的。没有 任何物质的空洞根本不是观察的对象。从现在起原来被 认为是实物的以太从理论中消失了”。迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验的结果否定了以太的存在莫雷实验的结
14、果否定了以太的存在!Harbin Engineering University孙秋华.2.2. 狭义相对论基本假设 狭义相对论基本假设 洛仑兹变换洛仑兹变换牛顿力学的困难1) 电磁场方程组不服从伽利略变换2) 光速C 在哪个参考系中测的?迈克耳逊 莫雷实验的 0 结果，当时 被形容为“ “物理学晴朗天空上出现的一朵乌云物理学晴朗天空上出现的一朵乌云” ”3) 高速运动的粒子与参照系运动无关!Harbin Engineering University孙秋华.2.2. 狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设1905年在德国物理学杂志上发表了他的首篇相对论文章论动体的电动力学，在这里他把下面的两个
15、基本假设作为相对论理论的出发点（1）相对性原理：物理学定律在所有惯性系中都是相同的即：描述物理学现象所有惯性系都是等价的 。（数学形式）（2）光速不变原理：在所有惯性系中，真空中的光速各向相同的量值c ，与光源的运动无关。Harbin Engineering University孙秋华讨论讨论1) 爱因斯坦的理论是牛顿理论的彻底取代。光速不变原理与牛顿力学是完全抵触的，因此必须把 狭义相对论看作是对牛顿力学的彻底取代，而不是它 的推广。2) 光速不变与伽利略的速度相加原理针锋相对3) 观念上的变革牛顿力学 速度与参考系有关(相对性)时间标度长度标度质量的测量与参考系无关Harbin Engineering University孙秋华.2.2. 洛仑兹变换洛仑兹变换分别在两个参考系中测量同一事件的坐标和时间之间 的关系。如图，S、S系在t=0时刻O 、O重合由光速不变原理和相对 性原理可推出坐标变换狭义相对论 力 学光速不变长度、时间测量 的相对性P( x , y , z , t )(x,y ,z ,t )Harbin Engineering University孙秋华正变换逆变换Harbin Engineering University孙秋华上述两式称为洛仑兹变换，或狭义相对论时空变换式讨论：(1)当uc 时，洛仑兹变换伽利略变换
