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1、狭义相对论洛仑兹变换第1页，本讲稿共22页1.时间时间,空间与物质的运动无关空间与物质的运动无关.2.时间与空间无关时间与空间无关.3.时间间隔时间间隔,空间间隔的度量绝对不变空间间隔的度量绝对不变.(S系中必须同时测量长度两端系中必须同时测量长度两端 )由由（2）牛顿的绝对时空观 绝对空间，按其本性，不受外界事物的影响，总是保持不变绝对空间，按其本性，不受外界事物的影响，总是保持不变并且不可移动。绝对的时间，按其本性独立地向前均匀流逝，而并且不可移动。绝对的时间，按其本性独立地向前均匀流逝，而不受外界任何事物的影响。不受外界任何事物的影响。第2页，本讲稿共22页击前击前 球上散射光速球上散射
2、光速c击后击后 球上散射光速球上散射光速c+v应看到球先动后静止。应看到球先动后静止。是否是否c过大，过大，L过小？过小？天文实例：天文实例：1731年英国一位天文爱好者观察到南方夜空的金牛年英国一位天文爱好者观察到南方夜空的金牛座上一团云雾状东西，外型象螃蟹，称蟹状星云，距座上一团云雾状东西，外型象螃蟹，称蟹状星云，距我们五千光年。观测表明以年我们五千光年。观测表明以年0.21速率膨胀。到速率膨胀。到1920年已膨胀到年已膨胀到180，推算膨胀开始于，推算膨胀开始于860年前，即年前，即1060年左右。人们推算这是年左右。人们推算这是900年前一次超新星爆发抛出年前一次超新星爆发抛出的气体壳
3、层。这一点在我国史记中得到证实，的气体壳层。这一点在我国史记中得到证实，宋会宋会要要记载：客星（超新星）最初出现在北宋至和元年记载：客星（超新星）最初出现在北宋至和元年（公元（公元1054年），位置在金牛座天关附近，白昼看起年），位置在金牛座天关附近，白昼看起来赛过金星，历时来赛过金星，历时23天，后慢慢暗下来，两年后天，后慢慢暗下来，两年后“隐隐没没”。击球：击球：（3）伽利略相对性原理的困难第3页，本讲稿共22页ABDc+uc-ucL地球地球L=5000光年光年 u=1500公里公里/秒秒.年年年年50年，年，25年，年，2年年说明光速与光源运动无关！说明光速与光源运动无关！第4页，本讲稿
4、共22页 19世纪世纪60年代麦克斯韦建立了解释电磁现象的方程年代麦克斯韦建立了解释电磁现象的方程-Maxwell Eqution。并导出了电磁波的方程。并导出了电磁波的方程。（4）光的波动性和光的波动性和“以太风以太风”测量零结果测量零结果C为真空中的光速为真空中的光速但是，人们发现麦克斯韦电磁波方程不满足伽利略变换，是但是，人们发现麦克斯韦电磁波方程不满足伽利略变换，是电磁波方程出了问题还是伽利略变换出了问题？如果要保证电磁波方程出了问题还是伽利略变换出了问题？如果要保证两者都正确，必须假定真空中存在着光的传播媒质两者都正确，必须假定真空中存在着光的传播媒质“以太以太”。第5页，本讲稿共2
5、2页机械波（声波）机械波（声波）电磁波电磁波(光波）光波）1）依靠弹性媒质传播，波速）依靠弹性媒质传播，波速和声源速度无关，由弹性模和声源速度无关，由弹性模量和媒质密度决定。量和媒质密度决定。如声波在空气中传播如声波在空气中传播2）声速会受到风的影响，）声速会受到风的影响，即媒质相对选定参考系运即媒质相对选定参考系运动的影响。动的影响。1）光速和光源速度无关，依）光速和光源速度无关，依靠弥漫宇宙的靠弥漫宇宙的“以太以太”传播。传播。光速很大，故光速很大，故“以太以太”应比应比钢还硬且星体在其中运动时钢还硬且星体在其中运动时要畅行无阻。要畅行无阻。2）光速会受到）光速会受到“以太以太”风风的影响
6、，即的影响，即“以太以太”相对选相对选定参考系运动的影响。定参考系运动的影响。第6页，本讲稿共22页转转900波程差波程差条纹移动条纹移动vLLM1M2*S转900G迈克耳逊迈克耳逊莫雷实验（寻找以太的实验）莫雷实验（寻找以太的实验）第7页，本讲稿共22页仪器可测量精度 实验结果实验结果 未未观察到地球相对于观察到地球相对于“以太以太”的运动的运动.这意味着经典物理学出了问题，意味着什么绝对时间、绝对这意味着经典物理学出了问题，意味着什么绝对时间、绝对空间、伽利略变换等等都有问题。就像一朵乌云一样遮住了物理空间、伽利略变换等等都有问题。就像一朵乌云一样遮住了物理学晴朗的天空。学晴朗的天空。不存
7、在以太？不存在以太？同一束光在不同同一束光在不同参照系下观测值参照系下观测值相同！相同！第8页，本讲稿共22页 1900年英国物理学家开尔文在瞻望年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展世纪物理学的发展的文章中说到：的文章中说到：“但是，在物理学晴朗天空的远处，还有但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，两朵令人不安的乌云，-”“在已经基本建成的科学大厦中，在已经基本建成的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。的修补工作就行了。”-开尔文开尔文-第9页，本讲稿共22页这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？热辐射实验迈克尔
8、逊-莫雷实验后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。花。第10页，本讲稿共22页量子力学的诞生量子力学的诞生相对论问世相对论问世经典力学经典力学量子力学量子力学相对论相对论微观领域微观领域高速领域高速领域今天来介绍相对论今天来介绍相对论第11页，本讲稿共22页爱因斯坦生平爱因斯坦生平 爱因斯坦（爱因斯坦（Albert Einstein，1879-1955）出生于德国符）出生于德国符腾堡的乌尔姆镇，犹太人。腾堡的乌尔姆镇，犹太人。1896年年10月考入苏黎世
9、工业大学月考入苏黎世工业大学攻读物理学，攻读物理学，1900年年8月毕业一度失业，月毕业一度失业，1902年年6月到伯尔尼月到伯尔尼瑞士专利局任技术员。瑞士专利局任技术员。1905年发表了阐述狭义相对论、光量年发表了阐述狭义相对论、光量子理论和布朗运动等四篇论文，推动了物理理论变革。子理论和布朗运动等四篇论文，推动了物理理论变革。1916年发表年发表广义相对论基础广义相对论基础由于光量子方面的贡献，由于光量子方面的贡献，1921年年他荣获诺贝尔奖（他路过上海时得到获奖消息）。他荣获诺贝尔奖（他路过上海时得到获奖消息）。1933年希年希特勒执政，他成为纳粹的迫害对象，幸而在美国讲学才未受特勒执政
10、，他成为纳粹的迫害对象，幸而在美国讲学才未受迫害，同年定居美国。迫害，同年定居美国。1955年年4月月18日逝世日逝世第12页，本讲稿共22页一、狭义相对论的基本原理 1、相对性原理相对性原理2、光速不变原理光速不变原理在所有的惯性系中，光在真空中传播的速率在所有的惯性系中，光在真空中传播的速率具有相同的值具有相同的值 cc=2.99792458108 m s-1一切物理规律对所有惯性参考系等价。一切物理规律对所有惯性参考系等价。忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确
11、定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了这系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了这个难题。个难题。爱因斯坦：爱因斯坦：5.2 狭狭义义相相对论对论的基本原理的基本原理 洛仑兹变换洛仑兹变换第13页，本讲稿共22页如果光速不变！如果光速不变！1秒秒1.5秒秒爱因斯坦小车爱因斯坦小车u第14页，本讲稿共22页二二 洛伦兹变换洛伦兹变换1）满足相对性原理和光速不变原理）满足相对性原理和光速不变原理2）当质点速率远小于真空光速）当质点速率远小于真空光速 c 时，该变时，该变 换应能使伽利略变换重新成立。换应能使伽利
12、略变换重新成立。oyxz第15页，本讲稿共22页根据相对性原理，新的时空变换关系必须是线性、协变的。根据相对性原理，新的时空变换关系必须是线性、协变的。对对s系的原点系的原点o有有和和即即设设对对s系的原点系的原点o 有有和和即即设设根据相对性原理根据相对性原理根据光速不变原理根据光速不变原理和和（1），（），（2）相乘）相乘可得可得(1)(2)oyxz第16页，本讲稿共22页时空坐标变换：令令oyxz第17页，本讲稿共22页逆变换：逆变换：正变换：正变换：令第18页，本讲稿共22页讨论讨论;(1)t 是是 t 和和 x 的函数的函数 不仅是与空间坐标有关不仅是与空间坐标有关,而且与物质的运动
13、有关而且与物质的运动有关.时间的测量在不同惯性系中是不同的时间的测量在不同惯性系中是不同的.时间不是绝对时间不是绝对 的的,和空间和空间,物质运动物质运动,联系在一起联系在一起.时空观上一个根本的改变时空观上一个根本的改变.(2)当当时时,对应原理对应原理洛伦兹变换洛伦兹变换 伽利略变换伽利略变换 当新的理论 经典理论第19页，本讲稿共22页(3)由洛伦兹变换式推导速度变换式.同理同理时间间隔不同时间间隔不同第20页，本讲稿共22页讨论：讨论：1）速度的变换公式，保证了光速速度的变换公式，保证了光速 c 不变性不变性。如：。如：若在 S系中则则S系中系中第21页，本讲稿共22页2)无论在真空还是在介质中,无论用什么方法,都不可能使一信号速度大于真空中的光速.SSS系相对于系相对于S系运动速度系运动速度而在而在S系中一粒子系中一粒子的运动速度求S系的第22页，本讲稿共22页