《狭义相对论》PPT课件.ppt

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1、 第六章第六章 狭义相对论狭义相对论 Special Theory of Relativity1第六章 狭义相对论相对论创始人相对论创始人Albert Einstein阿尔伯特阿尔伯特 爱因爱因斯坦斯坦(18791955)(18791955)2第六章 狭义相对论 任何物理规律都是相对于一定参考系表述出来的。任何物理规律都是相对于一定参考系表述出来的。任何物理规律都是相对于一定参考系表述出来的。任何物理规律都是相对于一定参考系表述出来的。我们讨论了经典电动力学的基本理论和有关规律，但我们讨论了经典电动力学的基本理论和有关规律，但我们讨论了经典电动力学的基本理论和有关规律，但我们讨论了经典电动力学

2、的基本理论和有关规律，但是讨论的范围限于是讨论的范围限于是讨论的范围限于是讨论的范围限于“静止静止静止静止”介质中的电磁场。本章讨介质中的电磁场。本章讨介质中的电磁场。本章讨介质中的电磁场。本章讨论动体的电动力学。论动体的电动力学。论动体的电动力学。论动体的电动力学。电动力学中的几个遗留问题：电动力学中的几个遗留问题：电动力学中的几个遗留问题：电动力学中的几个遗留问题：第一第一第一第一 麦克斯韦方程组的参考系问题麦克斯韦方程组的参考系问题麦克斯韦方程组的参考系问题麦克斯韦方程组的参考系问题第二第二第二第二 如果运动是相对的，那么磁场与电场就应该如果运动是相对的，那么磁场与电场就应该如果运动是相

3、对的，那么磁场与电场就应该如果运动是相对的，那么磁场与电场就应该 是相对的。与运动无关的物理量是什么是相对的。与运动无关的物理量是什么是相对的。与运动无关的物理量是什么是相对的。与运动无关的物理量是什么?第三第三第三第三 电磁波动的介质是以太吗？电磁波动的介质是以太吗？电磁波动的介质是以太吗？电磁波动的介质是以太吗？3第六章 狭义相对论 相对论主要是关于时空的理论。是现代物理学的相对论主要是关于时空的理论。是现代物理学的相对论主要是关于时空的理论。是现代物理学的相对论主要是关于时空的理论。是现代物理学的主要理论基础之一。局限于惯性参考系的理论称为狭主要理论基础之一。局限于惯性参考系的理论称为狭

4、主要理论基础之一。局限于惯性参考系的理论称为狭主要理论基础之一。局限于惯性参考系的理论称为狭义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理义相对论，推广到一般参考系和包括引力场在内的理论称为广义相对论。论称为广义相对论。论称为广义相对论。论称为广义相对论。狭义相对论包括的主要内容：狭义相对论包括的主要内容：狭义相对论包括的主要内容：狭义相对论包括的主要内容：（1 1）惯性参考系之间的洛伦兹变换及其物理意义。惯性参考系之间的洛伦兹变换及其物理意义。惯性参考系之间的洛伦兹变换及其物理意义。惯性参考系之间的洛

5、伦兹变换及其物理意义。（2 2）物理规律在任意惯性系中可表示为相同形式，即物理规律在任意惯性系中可表示为相同形式，即物理规律在任意惯性系中可表示为相同形式，即物理规律在任意惯性系中可表示为相同形式，即 物理规律具有协变性。物理规律具有协变性。物理规律具有协变性。物理规律具有协变性。（3 3）把电动力学规律表述为协变形式。把电动力学规律表述为协变形式。把电动力学规律表述为协变形式。把电动力学规律表述为协变形式。（4 4）把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。把力学基本规律推广为协变性的相对论力学。4第六章 狭义相对

6、论牛牛 顿顿 力力 学学麦麦 克克 斯斯 韦韦 电电 磁磁 场场 理理 论论热力学与经典统计理论热力学与经典统计理论电电 子子 的的 发发 现现X X射射线线的的发发现现经典物理学三大理论体系经典物理学三大理论体系使经典物理学已趋于成熟使经典物理学已趋于成熟6.1 6.1 狭义相对论的实验基础狭义相对论的实验基础狭义相对论的实验基础狭义相对论的实验基础1 1、相对论产生的历史背景、相对论产生的历史背景、相对论产生的历史背景、相对论产生的历史背景放放 射射 性性 的的 发发 现现19世纪后期世纪后期20世纪初期物理学的三大发现世纪初期物理学的三大发现5第六章 狭义相对论物理学晴朗的天空中出现了两

7、朵乌云物理学晴朗的天空中出现了两朵乌云 迈克耳逊迈克耳逊-莫雷莫雷“以太漂移以太漂移”实验实验 黑体辐射实验黑体辐射实验相相对对论论量量 子子 力力 学学近代物理学的近代物理学的两大两大理论理论基础基础6第六章 狭义相对论惯性系：自由粒子在其中作匀速直线运动的参考系称惯性系：自由粒子在其中作匀速直线运动的参考系称惯性系：自由粒子在其中作匀速直线运动的参考系称惯性系：自由粒子在其中作匀速直线运动的参考系称 为惯性系。为惯性系。为惯性系。为惯性系。伽利略相对性原理伽利略相对性原理伽利略相对性原理伽利略相对性原理 ：运动定律从一个惯性系变换到另一个惯性系运动定律从一个惯性系变换到另一个惯性系运动定律

8、从一个惯性系变换到另一个惯性系运动定律从一个惯性系变换到另一个惯性系时，运动定律的形式保持不变。也就是说，一切作机时，运动定律的形式保持不变。也就是说，一切作机时，运动定律的形式保持不变。也就是说，一切作机时，运动定律的形式保持不变。也就是说，一切作机械运动的惯性系是等价的。械运动的惯性系是等价的。械运动的惯性系是等价的。械运动的惯性系是等价的。事件：事物的发展运动可看作是一连串事件在时空中事件：事物的发展运动可看作是一连串事件在时空中事件：事物的发展运动可看作是一连串事件在时空中事件：事物的发展运动可看作是一连串事件在时空中的变化过程，在一个参考系中，通常用一定的时间和的变化过程，在一个参考

9、系中，通常用一定的时间和的变化过程，在一个参考系中，通常用一定的时间和的变化过程，在一个参考系中，通常用一定的时间和空间空间空间空间来描述一个事件来描述一个事件来描述一个事件来描述一个事件(x,y,z,tx,y,z,t)。经典（经典（经典（经典（牛顿或绝对）时空观作为物理常识牛顿或绝对）时空观作为物理常识牛顿或绝对）时空观作为物理常识牛顿或绝对）时空观作为物理常识7第六章 狭义相对论P(x,y,z,t）,（x,y,z,t)x,x00zzyy伽利略变换伽利略变换伽利略变换伽利略变换8第六章 狭义相对论事件事件事件事件1 1和事件和事件和事件和事件2 2在两个参考系中的时空坐标在两个参考系中的时空

10、坐标在两个参考系中的时空坐标在两个参考系中的时空坐标 系中的时间间隔系中的时间间隔系中的时间间隔系中的时间间隔 由伽利略变换有由伽利略变换有由伽利略变换有由伽利略变换有系中的时间间隔系中的时间间隔系中的时间间隔系中的时间间隔即两个事件的时间进程在两个惯性参考系中相同即两个事件的时间进程在两个惯性参考系中相同即两个事件的时间进程在两个惯性参考系中相同即两个事件的时间进程在两个惯性参考系中相同事物发展的进程在任何惯性参考系中都相同事物发展的进程在任何惯性参考系中都相同事物发展的进程在任何惯性参考系中都相同事物发展的进程在任何惯性参考系中都相同9第六章 狭义相对论由伽利略变换有由伽利略变换有由伽利略

11、变换有由伽利略变换有测量长度要求测量长度要求测量长度要求测量长度要求得得得得事件事件事件事件1 1和事件和事件和事件和事件2 2在两个在两个在两个在两个参考系中的时空坐标参考系中的时空坐标参考系中的时空坐标参考系中的时空坐标 系中的空间间隔系中的空间间隔系中的空间间隔系中的空间间隔 系中的空间间隔系中的空间间隔系中的空间间隔系中的空间间隔即两个事件的空间距离在两个惯性参考系中相同即两个事件的空间距离在两个惯性参考系中相同即两个事件的空间距离在两个惯性参考系中相同即两个事件的空间距离在两个惯性参考系中相同事物发展的间距在任何惯性参考系中都相同事物发展的间距在任何惯性参考系中都相同事物发展的间距在

12、任何惯性参考系中都相同事物发展的间距在任何惯性参考系中都相同10第六章 狭义相对论牛顿在自然哲学的数学原理写道：牛顿在自然哲学的数学原理写道：牛顿在自然哲学的数学原理写道：牛顿在自然哲学的数学原理写道：“时间和空间是分别独立、不相联系的。空间时间和空间是分别独立、不相联系的。空间时间和空间是分别独立、不相联系的。空间时间和空间是分别独立、不相联系的。空间距离和时间间隔都不随参考系的选择而改变。独立距离和时间间隔都不随参考系的选择而改变。独立距离和时间间隔都不随参考系的选择而改变。独立距离和时间间隔都不随参考系的选择而改变。独立于物质和物质运动的绝对时间均匀流逝。由绝对刚于物质和物质运动的绝对时

13、间均匀流逝。由绝对刚于物质和物质运动的绝对时间均匀流逝。由绝对刚于物质和物质运动的绝对时间均匀流逝。由绝对刚体保证的空间两点长度，在任何参考系中都是绝对体保证的空间两点长度，在任何参考系中都是绝对体保证的空间两点长度，在任何参考系中都是绝对体保证的空间两点长度，在任何参考系中都是绝对相等的。即不存在受运动状态影响的时钟和直尺。相等的。即不存在受运动状态影响的时钟和直尺。相等的。即不存在受运动状态影响的时钟和直尺。相等的。即不存在受运动状态影响的时钟和直尺。”“在所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规在所有惯性系中，物体运动所遵循的力学规律是相同的，具有相同的数学表达形式。或者说，律是相同的，具有

14、相同的数学表达形式。或者说，对于描述力学现象的规律而言，所有惯性系是等价对于描述力学现象的规律而言，所有惯性系是等价的。的。”绝对时空和绝对质量构成了经典物理学的公理绝对时空和绝对质量构成了经典物理学的公理基础。基础。11第六章 狭义相对论电磁运动规律不满足伽利略协变性电磁运动规律不满足伽利略协变性电磁运动规律不满足伽利略协变性电磁运动规律不满足伽利略协变性12第六章 狭义相对论 绝对参考系是对哪个参照物建立的呢？当时人们绝对参考系是对哪个参照物建立的呢？当时人们绝对参考系是对哪个参照物建立的呢？当时人们绝对参考系是对哪个参照物建立的呢？当时人们认为传播电磁波的媒质是以太，电磁波传播速度认为传

15、播电磁波的媒质是以太，电磁波传播速度认为传播电磁波的媒质是以太，电磁波传播速度认为传播电磁波的媒质是以太，电磁波传播速度c c是对是对是对是对以太这一特殊参考系而言的。也就是说，以太就是那个以太这一特殊参考系而言的。也就是说，以太就是那个以太这一特殊参考系而言的。也就是说，以太就是那个以太这一特殊参考系而言的。也就是说，以太就是那个绝对参考系。绝对参考系。绝对参考系。绝对参考系。依据旧时空观，伽利略速度叠加原理要求电磁波依据旧时空观，伽利略速度叠加原理要求电磁波依据旧时空观，伽利略速度叠加原理要求电磁波依据旧时空观，伽利略速度叠加原理要求电磁波只能够对一个特定的参考系的传播速度为只能够对一个特

16、定的参考系的传播速度为只能够对一个特定的参考系的传播速度为只能够对一个特定的参考系的传播速度为c c，因而麦氏，因而麦氏，因而麦氏，因而麦氏方程也就只能对该参考系成立。那么经典力学中一切惯方程也就只能对该参考系成立。那么经典力学中一切惯方程也就只能对该参考系成立。那么经典力学中一切惯方程也就只能对该参考系成立。那么经典力学中一切惯性系等价的相对性原理对电磁现象就不成立，由电磁规性系等价的相对性原理对电磁现象就不成立，由电磁规性系等价的相对性原理对电磁现象就不成立，由电磁规性系等价的相对性原理对电磁现象就不成立，由电磁规律可以确定一个特殊的参考系，即绝对参考系，相对于律可以确定一个特殊的参考系，

17、即绝对参考系，相对于律可以确定一个特殊的参考系，即绝对参考系，相对于律可以确定一个特殊的参考系，即绝对参考系，相对于绝对参考系的运动称为绝对运动。绝对参考系的运动称为绝对运动。绝对参考系的运动称为绝对运动。绝对参考系的运动称为绝对运动。13第六章 狭义相对论 讨论自由空间情况，麦克斯韦方程组表示为达讨论自由空间情况，麦克斯韦方程组表示为达讨论自由空间情况，麦克斯韦方程组表示为达讨论自由空间情况，麦克斯韦方程组表示为达朗贝尔方程朗贝尔方程朗贝尔方程朗贝尔方程由于在伽利略变换下由于在伽利略变换下由于在伽利略变换下由于在伽利略变换下麦克斯韦方程组不满足伽利略协变性麦克斯韦方程组不满足伽利略协变性麦克

18、斯韦方程组不满足伽利略协变性麦克斯韦方程组不满足伽利略协变性14第六章 狭义相对论同理同理同理同理由于由于由于由于15第六章 狭义相对论 即变换到另一参考系后，有不同的形式，所以势方即变换到另一参考系后，有不同的形式，所以势方即变换到另一参考系后，有不同的形式，所以势方即变换到另一参考系后，有不同的形式，所以势方程在伽利略变换下不具有协变性。同理可证明矢势方程程在伽利略变换下不具有协变性。同理可证明矢势方程程在伽利略变换下不具有协变性。同理可证明矢势方程程在伽利略变换下不具有协变性。同理可证明矢势方程也不具有协变性。也不具有协变性。也不具有协变性。也不具有协变性。所以所以所以所以16第六章 狭

19、义相对论两种选择两种选择两种选择两种选择(2)(2)放弃相对性原理。即认为电动力学定律在不同放弃相对性原理。即认为电动力学定律在不同放弃相对性原理。即认为电动力学定律在不同放弃相对性原理。即认为电动力学定律在不同惯性系中不同，目前形式只对以太静止系成立。以惯性系中不同，目前形式只对以太静止系成立。以惯性系中不同，目前形式只对以太静止系成立。以惯性系中不同，目前形式只对以太静止系成立。以太相对于绝对空间静止，以太静止系即绝对空间。太相对于绝对空间静止，以太静止系即绝对空间。太相对于绝对空间静止，以太静止系即绝对空间。太相对于绝对空间静止，以太静止系即绝对空间。(1)(1)坚持相对性原理，认为电磁

20、规律和力学规律一样坚持相对性原理，认为电磁规律和力学规律一样坚持相对性原理，认为电磁规律和力学规律一样坚持相对性原理，认为电磁规律和力学规律一样都应遵守相对性原理。那么我们需要改造电动力学定都应遵守相对性原理。那么我们需要改造电动力学定都应遵守相对性原理。那么我们需要改造电动力学定都应遵守相对性原理。那么我们需要改造电动力学定律或伽利略变换。律或伽利略变换。律或伽利略变换。律或伽利略变换。为了找出或证明这个绝对空间的存在，迈克尔逊为了找出或证明这个绝对空间的存在，迈克尔逊为了找出或证明这个绝对空间的存在，迈克尔逊为了找出或证明这个绝对空间的存在，迈克尔逊和莫雷于和莫雷于和莫雷于和莫雷于1887

21、1887年利用灵敏的干涉仪，企图测定沿地球年利用灵敏的干涉仪，企图测定沿地球年利用灵敏的干涉仪，企图测定沿地球年利用灵敏的干涉仪，企图测定沿地球不同方向传播的光速的差异，进而确定地球的绝对运不同方向传播的光速的差异，进而确定地球的绝对运不同方向传播的光速的差异，进而确定地球的绝对运不同方向传播的光速的差异，进而确定地球的绝对运动。动。动。动。17第六章 狭义相对论2 2、相对论的实验基础、相对论的实验基础、相对论的实验基础、相对论的实验基础迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验莫雷实验莫雷实验 如果能够精确测定各个方向光速的差异，就可以确如果能够精确测定各个方向光速的差异，就可以确如

22、果能够精确测定各个方向光速的差异，就可以确如果能够精确测定各个方向光速的差异，就可以确定地球相对于绝对参考系的运动，或者说相对于以太的定地球相对于绝对参考系的运动，或者说相对于以太的定地球相对于绝对参考系的运动，或者说相对于以太的定地球相对于绝对参考系的运动，或者说相对于以太的运动。运动。运动。运动。地球以地球以地球以地球以3030千米千米千米千米/秒的速度绕太阳运动，在略去地球秒的速度绕太阳运动，在略去地球秒的速度绕太阳运动，在略去地球秒的速度绕太阳运动，在略去地球自转及其他不均匀运动所引起的偏差后，地球的运动在自转及其他不均匀运动所引起的偏差后，地球的运动在自转及其他不均匀运动所引起的偏差

23、后，地球的运动在自转及其他不均匀运动所引起的偏差后，地球的运动在实验持续的时间内可以看做是匀速直线运动，因而地球实验持续的时间内可以看做是匀速直线运动，因而地球实验持续的时间内可以看做是匀速直线运动，因而地球实验持续的时间内可以看做是匀速直线运动，因而地球可看作是一个惯性系统。实验时先使干涉仪的一臂与地可看作是一个惯性系统。实验时先使干涉仪的一臂与地可看作是一个惯性系统。实验时先使干涉仪的一臂与地可看作是一个惯性系统。实验时先使干涉仪的一臂与地球的运动方向平行，另一臂与地球的运动方向垂直，按球的运动方向平行，另一臂与地球的运动方向垂直，按球的运动方向平行，另一臂与地球的运动方向垂直，按球的运动

24、方向平行，另一臂与地球的运动方向垂直，按照经典的理论，在运动的系统中，光速应该各向不同，照经典的理论，在运动的系统中，光速应该各向不同，照经典的理论，在运动的系统中，光速应该各向不同，照经典的理论，在运动的系统中，光速应该各向不同，因而可看到干涉条纹；再使整个仪器转过因而可看到干涉条纹；再使整个仪器转过因而可看到干涉条纹；再使整个仪器转过因而可看到干涉条纹；再使整个仪器转过/2/2，就应该，就应该，就应该，就应该发现条纹的移动。发现条纹的移动。发现条纹的移动。发现条纹的移动。18第六章 狭义相对论实验装置实验装置实验装置实验装置:迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪SlMl

25、M1M2T19第六章 狭义相对论说明：说明：说明：说明：由光源由光源由光源由光源S S发出的光线在半反射镜发出的光线在半反射镜发出的光线在半反射镜发出的光线在半反射镜MM上分为两束，上分为两束，上分为两束，上分为两束，一束通过一束通过一束通过一束通过MM，被，被，被，被MM1 1反射回到反射回到反射回到反射回到MM，再被，再被，再被，再被MM反射而达到反射而达到反射而达到反射而达到目镜目镜目镜目镜T T；另一束被；另一束被；另一束被；另一束被MM反射到反射到反射到反射到MM2 2，再反射回，再反射回，再反射回，再反射回MM而直达目而直达目而直达目而直达目镜镜镜镜T T。调整两臂长度使有效光程为

26、调整两臂长度使有效光程为调整两臂长度使有效光程为调整两臂长度使有效光程为MMMM1 1=MM=MM2 2=l l。设地。设地。设地。设地球相对于以太的绝对运动速度球相对于以太的绝对运动速度球相对于以太的绝对运动速度球相对于以太的绝对运动速度v v沿沿沿沿MMMM1 1方向，则由于方向，则由于方向，则由于方向，则由于光线光线光线光线MMMM1 1MM与与与与MMMM2 2MM的传播时间不同，因而有光程的传播时间不同，因而有光程的传播时间不同，因而有光程的传播时间不同，因而有光程差，在目镜差，在目镜差，在目镜差，在目镜T T中将观察到干涉效应中将观察到干涉效应中将观察到干涉效应中将观察到干涉效应。

27、20第六章 狭义相对论经典速度合成经典速度合成经典速度合成经典速度合成 按经典速度合成法则，当地球相对于以太的速度为按经典速度合成法则，当地球相对于以太的速度为按经典速度合成法则，当地球相对于以太的速度为按经典速度合成法则，当地球相对于以太的速度为v v 运动时，地球上发出的沿任意方向传播的光速运动时，地球上发出的沿任意方向传播的光速运动时，地球上发出的沿任意方向传播的光速运动时，地球上发出的沿任意方向传播的光速u u与相与相与相与相对于以太参考系的光速对于以太参考系的光速对于以太参考系的光速对于以太参考系的光速c c之间应满足之间应满足之间应满足之间应满足解出解出解出解出 u u21第六章

28、狭义相对论地球观察者所看到的沿地球观察者所看到的沿地球观察者所看到的沿地球观察者所看到的沿 方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为地球观察者所看到的逆地球观察者所看到的逆地球观察者所看到的逆地球观察者所看到的逆 方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为地球观察者所看到的垂直于地球观察者所看到的垂直于地球观察者所看到的垂直于地球观察者所看到的垂直于 方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为方向传播的光速为22第六章 狭义相对论光线光线光线光线MMMM1 1MM的传播时间的传播时间的传播时间的传播时间光线光线光线光线MMMM2 2MM的传播

29、时间的传播时间的传播时间的传播时间23第六章 狭义相对论 当把仪器绕竖直轴顺时针旋转当把仪器绕竖直轴顺时针旋转当把仪器绕竖直轴顺时针旋转当把仪器绕竖直轴顺时针旋转/2/2，则，则，则，则MMMM2 2变成变成变成变成沿地球运动方向，沿地球运动方向，沿地球运动方向，沿地球运动方向，MMMM1 1变为垂直于地球运动方向。变为垂直于地球运动方向。变为垂直于地球运动方向。变为垂直于地球运动方向。两束光总的光程差为两束光总的光程差为两束光总的光程差为两束光总的光程差为=-=-，两种情况，两种情况，两种情况，两种情况光程差为光程差为光程差为光程差为两束光传播距离相同，如果速度不同，则存在光程差两束光传播距

30、离相同，如果速度不同，则存在光程差两束光传播距离相同，如果速度不同，则存在光程差两束光传播距离相同，如果速度不同，则存在光程差在目镜中应该观察到静态的干涉效应。在目镜中应该观察到静态的干涉效应。在目镜中应该观察到静态的干涉效应。在目镜中应该观察到静态的干涉效应。24第六章 狭义相对论实验取：实验取：实验取：实验取：l l=1010米，米，米，米，=510=510-7-7米，米，米，米，v=v=3 103 104 4米米米米/秒秒秒秒 c=c=3 103 108 8米米米米/秒秒秒秒 当光程差的改变量等于光波的一个波长时，就引当光程差的改变量等于光波的一个波长时，就引当光程差的改变量等于光波的一

31、个波长时，就引当光程差的改变量等于光波的一个波长时，就引起一条干涉条纹的移动，所以条纹移动的总数为：起一条干涉条纹的移动，所以条纹移动的总数为：起一条干涉条纹的移动，所以条纹移动的总数为：起一条干涉条纹的移动，所以条纹移动的总数为：实验观察到只有小到移动条纹的实验观察到只有小到移动条纹的实验观察到只有小到移动条纹的实验观察到只有小到移动条纹的1/1001/100，但从来也没，但从来也没，但从来也没，但从来也没有看到过有看到过有看到过有看到过0.40.4个条纹的移动。个条纹的移动。个条纹的移动。个条纹的移动。得到得到得到得到25第六章 狭义相对论结论：结论：结论：结论：迈克尔逊迈克尔逊迈克尔逊迈

32、克尔逊莫雷实验测不出条纹的移动，表莫雷实验测不出条纹的移动，表莫雷实验测不出条纹的移动，表莫雷实验测不出条纹的移动，表明地球上沿各方向的光速相同，从而否定了以太明地球上沿各方向的光速相同，从而否定了以太明地球上沿各方向的光速相同，从而否定了以太明地球上沿各方向的光速相同，从而否定了以太介质的存在，因而也就否定了特殊参考系。介质的存在，因而也就否定了特殊参考系。介质的存在，因而也就否定了特殊参考系。介质的存在，因而也就否定了特殊参考系。地球上得到的电磁规律应该是普遍规律，所地球上得到的电磁规律应该是普遍规律，所地球上得到的电磁规律应该是普遍规律，所地球上得到的电磁规律应该是普遍规律，所以必须坚持

33、相对性原理，认为电磁规律和力学规以必须坚持相对性原理，认为电磁规律和力学规以必须坚持相对性原理，认为电磁规律和力学规以必须坚持相对性原理，认为电磁规律和力学规律一样都应遵守相对性原理，需要改造的是伽利律一样都应遵守相对性原理，需要改造的是伽利律一样都应遵守相对性原理，需要改造的是伽利律一样都应遵守相对性原理，需要改造的是伽利略变换。当时实验上测得真空中光速为常量，后略变换。当时实验上测得真空中光速为常量，后略变换。当时实验上测得真空中光速为常量，后略变换。当时实验上测得真空中光速为常量，后来双星观测实验还表明光速不依赖于观察者所在来双星观测实验还表明光速不依赖于观察者所在来双星观测实验还表明光

34、速不依赖于观察者所在来双星观测实验还表明光速不依赖于观察者所在参考系。爱因斯坦以这参考系。爱因斯坦以这参考系。爱因斯坦以这参考系。爱因斯坦以这两条作为基本假设，成功两条作为基本假设，成功两条作为基本假设，成功两条作为基本假设，成功地建立了狭义相对论。地建立了狭义相对论。地建立了狭义相对论。地建立了狭义相对论。26第六章 狭义相对论 1 1、狭义相对论的基本原理、狭义相对论的基本原理、狭义相对论的基本原理、狭义相对论的基本原理根据实验事实，根据实验事实，根据实验事实，根据实验事实，爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦爱因斯坦提出了如下两条基本假设：提出了如下两条基本假设：提出了如下两条基本假设：提出了如下两

35、条基本假设：(1)(1)狭义相对性原理狭义相对性原理狭义相对性原理狭义相对性原理 一切物理规律，无论是力学的，还是电磁学的，一切物理规律，无论是力学的，还是电磁学的，一切物理规律，无论是力学的，还是电磁学的，一切物理规律，无论是力学的，还是电磁学的，对于所有惯性系都具有相同的数学形式。对于所有惯性系都具有相同的数学形式。对于所有惯性系都具有相同的数学形式。对于所有惯性系都具有相同的数学形式。(2)(2)光速不变原理光速不变原理光速不变原理光速不变原理 在所有惯性系中，真空中的光速在任何方向上都在所有惯性系中，真空中的光速在任何方向上都在所有惯性系中，真空中的光速在任何方向上都在所有惯性系中，真

36、空中的光速在任何方向上都恒为恒为恒为恒为c c，并与光源的运动无关。，并与光源的运动无关。，并与光源的运动无关。，并与光源的运动无关。6.2 6.2 狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理狭义相对论的基本原理27第六章 狭义相对论光速不变原理与牛顿时空观相矛盾光速不变原理与牛顿时空观相矛盾光速不变原理与牛顿时空观相矛盾光速不变原理与牛顿时空观相矛盾 所有最基本的时空概念，如同时性，距离，所有最基本的时空概念，如同时性，距离，所有最基本的时空概念，如同时性，距离，所有最基本的时空概念，如同时性，距离，时间，速度等都要重新加以讨论。时间，速度等都要重新加以讨论。时间，速度等都

37、要重新加以讨论。时间，速度等都要重新加以讨论。28第六章 狭义相对论在经典时空观中同时性是绝对的在经典时空观中同时性是绝对的在经典时空观中同时性是绝对的在经典时空观中同时性是绝对的设在设在设在设在 时两个坐标系原点重合时两个坐标系原点重合时两个坐标系原点重合时两个坐标系原点重合,此刻发出一个闪光此刻发出一个闪光此刻发出一个闪光此刻发出一个闪光：伽里略变换得伽里略变换得伽里略变换得伽里略变换得即即即即xx轴上两点接收到闪光仍为同时事件，即同时性轴上两点接收到闪光仍为同时事件，即同时性轴上两点接收到闪光仍为同时事件，即同时性轴上两点接收到闪光仍为同时事件，即同时性是绝对的。是绝对的。是绝对的。是绝

38、对的。:t=0t=0即即即即x x轴上两点接收到闪光为同时事件。轴上两点接收到闪光为同时事件。轴上两点接收到闪光为同时事件。轴上两点接收到闪光为同时事件。t=0t=029第六章 狭义相对论在相对论时空观中同时性是相对的在相对论时空观中同时性是相对的在相对论时空观中同时性是相对的在相对论时空观中同时性是相对的:假设假设1 1秒钟后秒钟后秒钟后秒钟后x x 轴上这两点的时空坐标为轴上这两点的时空坐标为轴上这两点的时空坐标为轴上这两点的时空坐标为 即即即即 x x轴上接收到闪光为不同时事件。所以同时轴上接收到闪光为不同时事件。所以同时轴上接收到闪光为不同时事件。所以同时轴上接收到闪光为不同时事件。所

39、以同时性是相对的。性是相对的。性是相对的。性是相对的。：即即即即x x轴上两点接收到闪光为同时事件。轴上两点接收到闪光为同时事件。轴上两点接收到闪光为同时事件。轴上两点接收到闪光为同时事件。t=0t=030第六章 狭义相对论2 2 两事件的间隔两事件的间隔两事件的间隔两事件的间隔：称为这两个事件在称为这两个事件在称为这两个事件在称为这两个事件在 系中的间隔。系中的间隔。系中的间隔。系中的间隔。可以证明，对两个惯性系，光速不变必然导致间隔不变可以证明，对两个惯性系，光速不变必然导致间隔不变可以证明，对两个惯性系，光速不变必然导致间隔不变可以证明，对两个惯性系，光速不变必然导致间隔不变称为这两个事

40、件在称为这两个事件在称为这两个事件在称为这两个事件在 系中的间隔。系中的间隔。系中的间隔。系中的间隔。：31第六章 狭义相对论如果两事件彼此无限地接近，那么间隔为如果两事件彼此无限地接近，那么间隔为如果两事件彼此无限地接近，那么间隔为如果两事件彼此无限地接近，那么间隔为 任意两个事件，不论它们是由光讯号联系，或由任意两个事件，不论它们是由光讯号联系，或由任意两个事件，不论它们是由光讯号联系，或由任意两个事件，不论它们是由光讯号联系，或由其它由讯号联系，或根本没有因果关系，间隔在所有其它由讯号联系，或根本没有因果关系，间隔在所有其它由讯号联系，或根本没有因果关系，间隔在所有其它由讯号联系，或根本

41、没有因果关系，间隔在所有惯性系里都是一样的，即当由一个惯性系变换到任何惯性系里都是一样的，即当由一个惯性系变换到任何惯性系里都是一样的，即当由一个惯性系变换到任何惯性系里都是一样的，即当由一个惯性系变换到任何惯性系时，间隔不变。这是光速不变的数学表示。惯性系时，间隔不变。这是光速不变的数学表示。惯性系时，间隔不变。这是光速不变的数学表示。惯性系时，间隔不变。这是光速不变的数学表示。同理有同理有同理有同理有间隔的微分形式间隔的微分形式间隔的微分形式间隔的微分形式32第六章 狭义相对论同一地点相继发生的两个事件的间隔同一地点相继发生的两个事件的间隔同一地点相继发生的两个事件的间隔同一地点相继发生的

42、两个事件的间隔不同地点同时发生的两个事件的间隔不同地点同时发生的两个事件的间隔不同地点同时发生的两个事件的间隔不同地点同时发生的两个事件的间隔33第六章 狭义相对论 惯性系的概念要求从一惯性系到另一惯性系的时惯性系的概念要求从一惯性系到另一惯性系的时惯性系的概念要求从一惯性系到另一惯性系的时惯性系的概念要求从一惯性系到另一惯性系的时空坐标变换是线性的空坐标变换是线性的空坐标变换是线性的空坐标变换是线性的。设有一个不受外力作用的物体相对于惯性系设有一个不受外力作用的物体相对于惯性系设有一个不受外力作用的物体相对于惯性系设有一个不受外力作用的物体相对于惯性系作作作作匀速运动，则时空坐标关系匀速运动

43、，则时空坐标关系匀速运动，则时空坐标关系匀速运动，则时空坐标关系 (x,t)(x,t)是线性的是线性的是线性的是线性的。在另一惯性系在另一惯性系在另一惯性系在另一惯性系中观察，这物体也是作匀速运动，中观察，这物体也是作匀速运动，中观察，这物体也是作匀速运动，中观察，这物体也是作匀速运动，所以时空坐标关系所以时空坐标关系所以时空坐标关系所以时空坐标关系(x,t)(x,t)也是线性的也是线性的也是线性的也是线性的。由此可知从由此可知从由此可知从由此可知从(x,t)(x,t)到到到到(x,t)(x,t)的变换式必须是的变换式必须是的变换式必须是的变换式必须是线性的线性的线性的线性的。34第六章 狭义

44、相对论考虑两个事件：在考虑两个事件：在考虑两个事件：在考虑两个事件：在OO点发出闪光，在点发出闪光，在点发出闪光，在点发出闪光，在P P点收到闪光点收到闪光点收到闪光点收到闪光 以光速联系的两个事件的间隔保持不变以光速联系的两个事件的间隔保持不变以光速联系的两个事件的间隔保持不变以光速联系的两个事件的间隔保持不变所以对光信号联系的两事件满足所以对光信号联系的两事件满足所以对光信号联系的两事件满足所以对光信号联系的两事件满足35第六章 狭义相对论 对于不以光信号联系的其它事件，从两惯性系观对于不以光信号联系的其它事件，从两惯性系观对于不以光信号联系的其它事件，从两惯性系观对于不以光信号联系的其它

45、事件，从两惯性系观察，它们虽然不等于零，但由于时空坐标变换是线性察，它们虽然不等于零，但由于时空坐标变换是线性察，它们虽然不等于零，但由于时空坐标变换是线性察，它们虽然不等于零，但由于时空坐标变换是线性的。这两个二次式至多只能相差一个系数的。这两个二次式至多只能相差一个系数的。这两个二次式至多只能相差一个系数的。这两个二次式至多只能相差一个系数A A，由于对于以光信号联系的两事件的二次式，从由于对于以光信号联系的两事件的二次式，从由于对于以光信号联系的两事件的二次式，从由于对于以光信号联系的两事件的二次式，从两个惯性系观察都等于零，所以两个惯性系观察都等于零，所以两个惯性系观察都等于零，所以两

46、个惯性系观察都等于零，所以 不以光信号联系，或根本没有任何联系的两事不以光信号联系，或根本没有任何联系的两事不以光信号联系，或根本没有任何联系的两事不以光信号联系，或根本没有任何联系的两事件的间隔仍然保持不变件的间隔仍然保持不变件的间隔仍然保持不变件的间隔仍然保持不变36第六章 狭义相对论 其中系数其中系数其中系数其中系数A A仅与两个惯性系的相对速度的绝对值有仅与两个惯性系的相对速度的绝对值有仅与两个惯性系的相对速度的绝对值有仅与两个惯性系的相对速度的绝对值有关，系数关，系数关，系数关，系数A A不可能与坐标或时间有关。否则空间的不同不可能与坐标或时间有关。否则空间的不同不可能与坐标或时间有

47、关。否则空间的不同不可能与坐标或时间有关。否则空间的不同点及时间的不同时刻就不等价了，这与时间，空间的点及时间的不同时刻就不等价了，这与时间，空间的点及时间的不同时刻就不等价了，这与时间，空间的点及时间的不同时刻就不等价了，这与时间，空间的均匀性相矛盾。另外，系数均匀性相矛盾。另外，系数均匀性相矛盾。另外，系数均匀性相矛盾。另外，系数A A也不可能与惯性系的相对也不可能与惯性系的相对也不可能与惯性系的相对也不可能与惯性系的相对速度的方向有关，因为这与空间的各向同性的性质相速度的方向有关，因为这与空间的各向同性的性质相速度的方向有关，因为这与空间的各向同性的性质相速度的方向有关，因为这与空间的各

48、向同性的性质相矛盾。由此可见矛盾。由此可见矛盾。由此可见矛盾。由此可见 由于由于由于由于 系相对系相对系相对系相对 系的运动速度与系的运动速度与系的运动速度与系的运动速度与 系相对系相对系相对系相对 系的运系的运系的运系的运动速度相同，因此反过来也应有关系动速度相同，因此反过来也应有关系动速度相同，因此反过来也应有关系动速度相同，因此反过来也应有关系37第六章 狭义相对论由由由由由变换的连续性，应该取由变换的连续性，应该取由变换的连续性，应该取由变换的连续性，应该取A=+1A=+1，因此有，因此有，因此有，因此有 因此两事件的间隔是绝对的。间隔不变性是光速不因此两事件的间隔是绝对的。间隔不变性

49、是光速不因此两事件的间隔是绝对的。间隔不变性是光速不因此两事件的间隔是绝对的。间隔不变性是光速不变性的数学表示，是相对论时空观的一个基本关系。变性的数学表示，是相对论时空观的一个基本关系。变性的数学表示，是相对论时空观的一个基本关系。变性的数学表示，是相对论时空观的一个基本关系。得得得得38第六章 狭义相对论例一（例一（例一（例一（195195页）页）页）页）解：设发出闪光为事件解：设发出闪光为事件解：设发出闪光为事件解：设发出闪光为事件1 1，收到闪光为事件，收到闪光为事件，收到闪光为事件，收到闪光为事件2 2。在在在在中中中中两个事件的时间间隔两个事件的时间间隔两个事件的时间间隔两个事件的

50、时间间隔两个事件的空间间隔两个事件的空间间隔两个事件的空间间隔两个事件的空间间隔两个事件的间隔两个事件的间隔两个事件的间隔两个事件的间隔S SMM MMv vttS SSS39第六章 狭义相对论 在在在在 中观察，设两事件时间差为中观察，设两事件时间差为中观察，设两事件时间差为中观察，设两事件时间差为tt，在这时间内在这时间内在这时间内在这时间内光源已运动了光源已运动了光源已运动了光源已运动了光讯号传播的路程为光讯号传播的路程为光讯号传播的路程为光讯号传播的路程为两个事件的时间间隔两个事件的时间间隔两个事件的时间间隔两个事件的时间间隔两个事件的空间间隔两个事件的空间间隔两个事件的空间间隔两个事