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1、1相对论基础 第四章2历史背景历史背景十十九九世世纪纪末末，物物理理学学天天空空一一片片晴晴朗朗，正正如如1900年年英英国国物物理理学学家家开开尔尔文文在在瞻瞻望望20世纪物理学的发展时所说：世纪物理学的发展时所说：“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的修后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。补工作就行了。”-开尔文开尔文-“但是，在物理学晴朗天空的远处，还但是，在物理学晴朗天空的远处，还有两朵令人不安的乌云，有两朵令人不安的乌云，-”3这两朵乌云是指什么呢？这两朵乌云是指什么呢？热辐射实验热辐射实验迈克尔逊迈克尔逊-莫雷实验莫雷实验
2、 后来的事实证明，正是这两朵乌后来的事实证明，正是这两朵乌云掀起了一场物理界的革命风暴，乌云掀起了一场物理界的革命风暴，乌云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜云落地化为一场春雨，浇灌着两朵鲜花。花。4量子力学诞生量子力学诞生爱因斯坦的相对论问世爱因斯坦的相对论问世经典经典力学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5 相对论由相对论由爱因斯坦爱因斯坦（Albert Einstein）创立，创立，狭义相对论狭义相对论（Special Relativity）（1905）揭示了时间、空间与运动的关系。揭示了时间、空间与运动的关系。揭示了时间、空间与引力的关系。揭示了时间、空间与引
3、力的关系。重点是狭义相对论的时空观。重点是狭义相对论的时空观。它包括了两大部分：它包括了两大部分：广义相对论广义相对论（general relativity）（1915-1916）6 爱因斯坦的爱因斯坦的哲学观念：哲学观念：自然自然界应当是和谐而简单的界应当是和谐而简单的.理论特色：理论特色：出于简单而归于出于简单而归于深奥深奥.Albert Einstein (1879 1955)20世纪最伟大的物理学家世纪最伟大的物理学家,于于1905年和年和1915年先后创立了狭义年先后创立了狭义相对论和广义相对论相对论和广义相对论,他于他于1905年提出了光量子假设年提出了光量子假设,为此他于为此他于
4、1921年获得诺贝尔物理学奖年获得诺贝尔物理学奖,他他还在量子理论方面作出很多的重要还在量子理论方面作出很多的重要的贡献的贡献.74.2 4.2 狭义相对论的基本假设狭义相对论的基本假设4.3 4.3 狭义相对论的时空观狭义相对论的时空观4.4 4.4 洛仑兹变换洛仑兹变换4.5 4.5 相对论的动力学问题相对论的动力学问题4.1 4.1 伽利略变换和牛顿绝对时空观伽利略变换和牛顿绝对时空观本章目录本章目录4.6 4.6 广义相对论简介广义相对论简介8一、伽利略变换一、伽利略变换(Galilean transformation)事件：事件：事件：事件：有明确的地点与时间的一件事：有明确的地点与
5、时间的一件事：有明确的地点与时间的一件事：有明确的地点与时间的一件事：P(P(x,y,z,tx,y,z,t)参照系：参照系：参照系：参照系：不同参照系对同一事件发生的地点和时间的不同参照系对同一事件发生的地点和时间的不同参照系对同一事件发生的地点和时间的不同参照系对同一事件发生的地点和时间的测量结果一般不同。例：测量结果一般不同。例：测量结果一般不同。例：测量结果一般不同。例：4.1 4.1 伽利略变换和牛顿绝对时空观伽利略变换和牛顿绝对时空观9正变换正变换正变换正变换逆变换逆变换逆变换逆变换1 1 1 1、坐标变换、坐标变换、坐标变换、坐标变换且且 与与 O 重合时，重合时，时时空空间间隔隔
6、的绝对性的绝对性102 2 2 2、速度变换、速度变换、速度变换、速度变换正变换正变换正变换正变换逆变换逆变换逆变换逆变换11二、二、牛顿相对性原理牛顿相对性原理（力学相对性原理）（力学相对性原理）（principle of relativity in mechanics）一切力学规律在不同的惯性系中应有相同的形式。一切力学规律在不同的惯性系中应有相同的形式。牛顿相对性原理源于牛顿相对性原理源于牛顿的时空观。牛顿的时空观。（还可表述为：宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式还可表述为：宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同，或所有惯性系都是等价的。）相同，或所有惯性系都是等价的。）牛顿
7、力学中力和质量都与参考系的选择无关，所以牛顿力学中力和质量都与参考系的选择无关，所以在不同惯性系中在不同惯性系中 的形式不变。的形式不变。表明表明伽利略变换和力学相对性原理是一致的伽利略变换和力学相对性原理是一致的。用力学实验无法判定一个惯性系的运动状态。用力学实验无法判定一个惯性系的运动状态。12三、牛顿的绝对时空观三、牛顿的绝对时空观时时时时间间间间：是是是是一一一一种种种种自自自自然然然然的的的的流流流流逝逝逝逝。“绝绝绝绝对对对对的的的的真真真真实实实实的的的的数数数数学学学学时时时时间间间间，就就就就其其其其本本本本质质质质而而而而言言言言，是是是是永永永永远远远远均均均均匀匀匀匀地
8、地地地流流流流逝逝逝逝着着着着，与与与与外外外外界界界界事物无关。事物无关。事物无关。事物无关。”绝对时空观：绝对时空观：绝对时空观：绝对时空观：空空空空间间间间：是是是是一一一一种种种种物物物物质质质质运运运运动动动动的的的的场场场场所所所所。“绝绝绝绝对对对对的的的的空空空空间间间间就就就就其其其其本本本本质质质质而而而而言言言言与与与与外外外外界界界界事事事事物物物物无无无无关关关关，它它它它从从从从不不不不运运运运动动动动，并并并并且且且且永永永永远远远远不变。不变。不变。不变。”13时间和空间与参照系的选择无关！时间和空间与参照系的选择无关！时间和空间与参照系的选择无关！时间和空间与参照系的选择无关！