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1、第第7 7章章 相对论相对论Special relativity 想象力想象力比知识更重要，因为知识是有比知识更重要，因为知识是有限的，而限的，而想象力想象力概括着世界的一切，推动概括着世界的一切，推动着进步，并且是知识进化的源泉。严格地着进步，并且是知识进化的源泉。严格地说，说，想象力想象力是科学研究中的实在因素。是科学研究中的实在因素。爱因斯坦爱因斯坦伽 利 略（1564-1642）牛 顿（1642-1722）麦克斯韦（1831-1879）物理学关键概念的发展1600190018001700力学力学热力学热力学电磁学电磁学2000 以牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论为代表的经典以牛顿力学和麦克
2、斯韦电磁场理论为代表的经典物理学，到物理学，到2020世纪初，已经取得了空前的成就。世纪初，已经取得了空前的成就。1900 1900年年,著名物理学家著名物理学家开尔文开尔文发表新年祝词时说：发表新年祝词时说：“物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。物理大厦已经落成，所剩只是一些修饰工作。”开尔文开尔文在展望在展望2020世纪物理学前景时，却讲到：世纪物理学前景时，却讲到：“物理学美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩物理学美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了，一朵与了，一朵与迈克耳孙迈克耳孙-莫雷实验莫雷实验（寻找（寻找“以太以太”）有关，另一朵与有关，另一朵与黑体辐射黑体辐射有关。有关。”但他却
3、没有料到，这两朵小小的乌云正孕育着但他却没有料到，这两朵小小的乌云正孕育着一场暴风雨，并促成了近代物理学的两大理论支柱一场暴风雨，并促成了近代物理学的两大理论支柱相对论相对论和和量子力学量子力学的诞生的诞生。伽 利 略（1564-1642）牛 顿（1642-1722）麦克斯韦（1831-1879）物理学关键概念的发展1600190018001700力学力学热力学热力学电磁学电磁学2000相对论相对论量子力学量子力学爱因斯坦（1879-1955）7.1 伽利略变换伽利略变换 力学的相对性原理力学的相对性原理1、牛顿的绝对时空观、牛顿的绝对时空观牛顿自然哲学的数学原理牛顿自然哲学的数学原理（168
4、7年）年）“绝对的、真实的纯数学的绝对的、真实的纯数学的时间，就其自身和其本质而时间，就其自身和其本质而言，是永远均匀流动的，不言，是永远均匀流动的，不依赖于任何外界事物。依赖于任何外界事物。”“绝对的空间，就其本性而言，绝对的空间，就其本性而言，是与外界事物无关而永远是相是与外界事物无关而永远是相同和不动的。同和不动的。”时间和空间都是绝对的，时间和空间都是绝对的，与物质的存在和运动无关。与物质的存在和运动无关。牛顿的绝对时空观牛顿的绝对时空观 2、伽利略变换、伽利略变换(Galileo coordinate transformation)约定系统约定系统 设两个惯性系设两个惯性系S和和 S
5、，S相对于相对于S以速以速度度u作匀速直线运动。当作匀速直线运动。当t=t=0 时，原点重合时，原点重合位置坐标变换公式位置坐标变换公式*加速度变换公式加速度变换公式伽利略速度变换公式伽利略速度变换公式*即即 可见，同一质点对不同的惯性可见，同一质点对不同的惯性系有相同的加速度。系有相同的加速度。伽利略变换伽利略变换集中地、全面地反映了经典绝地时空观集中地、全面地反映了经典绝地时空观同时性是绝对的同时性是绝对的S系：两事件同时发生，系：两事件同时发生，时间间隔是绝对的时间间隔是绝对的S系中两事件发生的时空坐标系中两事件发生的时空坐标 和和S 系系：即在即在S 系两事件也是同时发生的。系两事件也
6、是同时发生的。或写为或写为S由于空间距离测量的同时性要求由于空间距离测量的同时性要求空间间隔空间间隔(距离距离)是绝对的是绝对的S 同时性同时性、时间间隔时间间隔和和空间距离空间距离都是绝对的，与都是绝对的，与参考系的选择无关。而且，参考系的选择无关。而且，时间和空间是彼此独立的、时间和空间是彼此独立的、互不相关的，并且独立于物质和运动之外。互不相关的，并且独立于物质和运动之外。牛顿很形象地把时间比做流水、把空间比做箱牛顿很形象地把时间比做流水、把空间比做箱子。时间永远在流逝、箱子永恒占据着空间。子。时间永远在流逝、箱子永恒占据着空间。3、力学相对性原理、力学相对性原理(relativity
7、principle of mechanics)所以在所有作匀速直线运动的惯性系中，牛顿所以在所有作匀速直线运动的惯性系中，牛顿运动定律都有同样的形式。运动定律都有同样的形式。从不同的惯性系来考察同一物体的运动状态，从不同的惯性系来考察同一物体的运动状态，其加速度相同，其加速度相同，牛顿力学认为物体的质量与运动无关，于是牛顿力学认为物体的质量与运动无关，于是由此可以推断由此可以推断牛顿力学的一切规律在伽利略变换下牛顿力学的一切规律在伽利略变换下其形式保持不变其形式保持不变，或者说，或者说力学规律对于一切惯性参力学规律对于一切惯性参考系都是等价的考系都是等价的。力学相对性原理力学相对性原理 力学相对性原理的更重要之处在于，力学相对性原理的更重要之处在于，惯性系对惯性系对力学实验是平权的力学实验是平权的。彼此完全隔绝的两种文彼此完全隔绝的两种文明，对惯性系写出的力学方明，对惯性系写出的力学方程，除了符号上的差异外，程，除了符号上的差异外，结构上没有什么不同！结构上没有什么不同！根据这一条，我们可以断定：根据这一条，我们可以断定：如果在宇宙的某处生存着某种高智慧的生物，如果在宇宙的某处生存着某种高智慧的生物，又如果我们和他们成功地进行了科学与文化的交流，又如果我们和他们成功地进行了科学与文化的交流，那么双方一定会发现：那么双方一定会发现：