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1、第第 9 讲讲 狭义相对论的数学语言狭义相对论的数学语言闵可夫斯基时空闵可夫斯基时空 学习引导学习引导 1900 年，英国著名物理学家开尔文勋爵在题为在热和光动力理论上空的19 世纪乌云中说：“在物理学阳光灿烂的天空中漂浮着两朵乌云”，其中一朵乌云是迈克尔逊-莫雷实验，另一朵乌云则是黑体辐射研究中的困境。正是这两朵看起来不起眼的乌云，引发了一场狂风暴雨，使得金碧辉煌的经典物理学大厦在电闪雷鸣中轰然倒塌，给物理学带来了伟大的新生，诞生了相对论和量子力学这现代物理学的两大支柱。在第 9 讲里，我们研究狭义相对论，将追寻伟大的阿尔伯特爱因斯坦的脚步，一起去见证 100 多年前这激动人心的创举，更深刻
2、的体会爱因斯坦的名言“宇宙间最不可理解的事情是它是可以被理解的”！我们首先介绍迈克尔逊-莫雷实验，从思辨的角度揭示伽利略变换与麦克斯韦方程组之间的深刻矛盾，为了解决此矛盾，爱因斯坦凭借其卓越的物理直觉提出了狭义相对论的两个基本假设：相对性原理与光速不变原理。在相对性原理与光速不变原理的基础上，利用简单的初等数学，从物理的角度推导出著名的洛伦兹变换。其次，我们回顾了爱因斯坦的大学数学老师，天才的闵可夫斯基所建立的闵氏时空的几何学，其推广也成为广义相对论的数学架构。利用闵氏几何，我们给出了洛伦兹变换的几何学推导。从中可以看出，相对论的本质即为“时空的对称性”！我们还研究了几个著名的相对论效应：动钟
3、变慢，动尺缩短，质能方程与速度变换公式，从中可以看出时空是如何统一为一体的。一、主要问题一、主要问题 1.相对性原理解读。2.洛伦兹变换及其导出。3.相对论效应。4.质能方程。二、预习阅读导引二、预习阅读导引 1.狭义相对论的两个基本假设狭义相对论的两个基本假设（阅读材料 1：狭义相对论的两个基本假设节选自 梁灿彬：从零学相对论第 1-4 页）2.洛伦兹变换的物理学推导洛伦兹变换的物理学推导（阅读材料 2：洛伦兹变换的物理学推导节选自 爱因斯坦：狭义与广义相对论浅说第 92-96 页）3.闵可夫斯基时空的几何闵可夫斯基时空的几何（阅读材料 3：闵可夫斯基时空的几何节选自 梁灿彬：从零学相对论第8-10 页）4.洛伦兹变换的几何学推导洛伦兹变换的几何学推导（阅读材料 4：洛伦兹变换的几何学推导节选自 朗道、栗弗席兹：场论第 11-12 页）5.洛伦兹变换的洛伦兹变换的应用应用（阅读材料 5：相对论效应节选自 朗道、栗弗席兹：场论第 12-14 页，阅读材料 6：相对论质量、动量和能量节选自 刘辽、费保俊、张允中：狭义相对论第 114-117 页）