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1、第六章 相对论与量子论初步n前面我们所学的主要是以牛顿力学为基础的力学体系（包括物体运动的描述、力与运动的关系，功和能的关系等），这些都是以牛顿三大定律为基础，称之为经典力学。n牛顿力学是声学、光学、热学、电磁学赖以存在的基础n在十七世纪牛顿力学形成之后，它对科学技术的发展起了巨大的推动作用。n 经典的力学与经典物理学“已经结合成一座具有庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”德国物理学家劳厄n“在已经建立的科学大厦中，后辈的物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。”n“未来的物理学，其真理不得不在小数点后第六位去寻找。”英国物理学家开尔文n但是，进入二十世纪，物理学研究的领域开但是，进入二十
2、世纪，物理学研究的领域开始深入到了始深入到了微观高速微观高速领域，领域，微观：微观：空间尺度空间尺度10-10m 如原子、电子等如原子、电子等高速：高速：速度为光速或接近以光速速度为光速或接近以光速 3108m/sn这时人们发现牛顿力学在这领域不再适用了这时人们发现牛顿力学在这领域不再适用了n用用开尔文开尔文的话说：的话说：“在物理学晴朗的天空的远处还在物理学晴朗的天空的远处还有两朵小小的令人不安的乌云有两朵小小的令人不安的乌云”n这两朵乌云指的是当时物理学理论无法解释的两个这两朵乌云指的是当时物理学理论无法解释的两个实验实验n 迈克尔孙迈克尔孙-莫雷莫雷实验、实验、热辐射热辐射实验实验n这两
3、个朵乌云，不久之后酝酿成物理学的一场巨大这两个朵乌云，不久之后酝酿成物理学的一场巨大的变革，这场变革直接导致了二十世纪初的变革，这场变革直接导致了二十世纪初相对论相对论和和量子论量子论的诞生，是物理学从的诞生，是物理学从经典物理经典物理向向近代物理近代物理转转化的标志化的标志n 相对论相对论高速运动世界高速运动世界n 量子论量子论微观世界微观世界n牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来牛顿力学是用绝对空间和绝对时间的概念来描述时间与空间。描述时间与空间。1、经典力学的时空观、经典力学的时空观所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；所谓绝对空间是指长度的量度与参照系无关；绝对时间是指时间的量度与
4、参照系无关绝对时间是指时间的量度与参照系无关这就是说，两点之间的距离，这就是说，两点之间的距离，无论在那个参考系中测量都是一样的；无论在那个参考系中测量都是一样的；同样，前后发生的两个事件之间的时间，同样，前后发生的两个事件之间的时间，无论在那个参考系中测量都是一样的无论在那个参考系中测量都是一样的按照这种观点按照这种观点：时间和空间是彼此：时间和空间是彼此独立，互不相关并且独立于物质和独立，互不相关并且独立于物质和运动之外的，不受物质和运动的影运动之外的，不受物质和运动的影响。响。绝对时空观绝对时空观牛顿本人曾说：牛顿本人曾说：“绝对空间，就其本性而言绝对空间，就其本性而言与外界任何事物无关
5、，而永远是相同的和不动的与外界任何事物无关，而永远是相同的和不动的”，“绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，绝对的、真正的和数学上的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。并由于它的本性而均匀地与任何外界对象无关地流逝着。”2、经典的相对性原理、经典的相对性原理 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不同，物体在运动这一概念也是相对光速 v光速 c-v v光速 c+v 光速具有相对性！n 一直以来，很多科学家都在努力地想用实验来验证光速的这种相对性。n 物理学家迈克尔孙和莫雷合作，做了高精度的光的干涉实验，也就是迈克尔孙-莫雷实验。但都未能得到上述的结论。恰恰相反，
6、实验现象切表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的。n 光速恒定的现象，同运动的相对性原理之间似乎产生了矛盾？n 这个时候整个物理学界陷入这个时候整个物理学界陷入困惑困惑？爱因斯坦爱因斯坦现代时空的创始人现代时空的创始人2020世纪最伟大的科学家世纪最伟大的科学家 爱因斯坦爱因斯坦对这个问题进行对这个问题进行了深入研究，了深入研究，并在并在19051905年发表了论文年发表了论文论动体的电动力学论动体的电动力学在这篇论文里对上述问题在这篇论文里对上述问题作出了对整个物理学界乃作出了对整个物理学界乃至整个科学界都有变革意至整个科学界都有变革意义的回答义的回答 相相相相对对对对论论论
7、论的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念与与与与人人人人们们们们固固固固有有有有的的的的时时时时空空空空观观观观念念念念差差差差别别别别很很很很大大大大，很很很很难难难难被被被被普普普普通通通通人人人人所所所所理理理理解解解解。人人人人们们们们都都都都称称称称赞赞赞赞爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦伟伟伟伟大大大大，但但但但又又又又常常常常常常常常弄弄弄弄不不不不懂懂懂懂这这这这伟伟伟伟大大大大的的的的内内内内容容容容。这这这这使使使使人人人人们们们们想想想想起起起起英英英英国国国国诗诗诗诗人波谱歌颂牛顿的诗句人波谱歌颂牛顿的诗句人波谱歌颂牛顿的诗句人波谱歌颂牛顿的诗句:自然界和自然界的规律
8、隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：上帝说：上帝说：“让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。于是一切都成为光明。后人续写道后人续写道后人续写道后人续写道:上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，上帝说完多少年之后，魔魔魔魔鬼鬼鬼鬼说说说说：“让让让让爱爱爱爱因因因因斯斯斯斯坦坦坦坦去去去去吧吧吧吧，”于于于于是是是是一一一一切切切切又又又又回回回回到到到到黑黑黑黑暗中。暗中。暗中。暗中。在在这篇论文中，爱因斯
9、坦提出了这篇论文中，爱因斯坦提出了两个假设两个假设并在这两个假设的基础上构筑了并在这两个假设的基础上构筑了狭义相对论力学狭义相对论力学二二.爱因斯坦假设爱因斯坦假设1.1.爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理所有的物理学规律在一切惯性系中都有相同所有的物理学规律在一切惯性系中都有相同的形式的形式惯性参照系：惯性参照系：牛顿定律适用的参照系牛顿定律适用的参照系（静止或匀速直线运动的参照系）（静止或匀速直线运动的参照系）乙乙甲甲不论是在地面上还是在匀速运动的车上，做平抛运动的物体规律都一样。2.2.光速不变原理光速不变原理在一切惯性参照系中，测量到真空中的光速在一切惯性参照系中，测量到真空中的光速
10、c c都一样都一样也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，也就是说，不管光源与观察者的相对运动如何，在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的在任一惯性系中的观察者所观测到的真空中的光速都是相等的，光速都是相等的，爱因斯坦相对性原理爱因斯坦相对性原理所有物理规律在一切惯所有物理规律在一切惯性参照系中都具有相同性参照系中都具有相同的形式的形式光速不变原理光速不变原理在一切惯性参照系中，在一切惯性参照系中，测量到的真空中的光速测量到的真空中的光速c c都一样都一样就是在这两个假设的基础上就是在这两个假设的基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论爱因斯坦建立了一套完整的理论狭义相对论狭义相对论三、三、狭义相对论时空观狭义相对论时空观v1、时间延缓效应（时钟变慢）、时间延缓效应（时钟变慢）v高速运行的列车上，由车厢底部发出的闪光，对于车上的人来说，闪光是在竖直方向反射的，而车厢外的人认为被接收的反射光是沿斜线传播的2、长度收缩效应、长度收缩效应n按照狭义相对论，不仅时间与运动有关，空间也与运动有关，这就是长度收缩效应。n如刻度尺，相对与观察者静止时，测量它的长度是，若让它相对与观察者以v的速度沿自身长度方向运动，此时测量的长度为n可以发现：