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1、 本章的基本问题:1、经典时空观的内容是什么?2、爱因斯坦为什么要提出新时空观？3、新时空观又有那些内容？4、根据新时空观可以推出哪些重要结论？第1页/共37页 经典时空观认为时间和空间是独立变化的参量，时间和空间的测量与观察者的运动没有关系。时间、空间、运动在经典时空中是分割的，没有体现出他们的联系,质量是和运动无关的常量。1、经典时空观的内容是什么?不同参照系中时间间隔和空间隔分别相等在两个惯性参考系（相互为匀速直线运动的参考系）S和S中观察两个物理事件的时间间隔和空间间隔：第2页/共37页谁是谁非如：牛顿定律力学规律在 系观察在 系观察 在一切惯性系中，力学规律相同。称为伽利略相对性原理
2、电磁学规律若 处有两个电荷对 系，电荷间的相互作用 为静电力。对 系，是两个运动电荷，还有磁力作用。规律不相同若 处有一光源，迎着 发射光波（电磁波）对光速对光速无实验根据谁是谁非难以判断伽利略变换第3页/共37页有一对带正电的粒子在实验室中静止，其间距为d，实验室中静止的观察者看来，每个粒子受到一个电斥力，没有磁力存在，另一个以速度 向右匀速运动的观察者看来，每个粒子相对他在运动，因此它们之间除了电斥力外，还应有相互吸引的磁力。如果作用 在 q上的 合力，对两个观察者而言是相同的，那么，因为 电斥力 一定比 大；若进一步认为电荷是不变的，则两个观察者看到的电场必定不相等。第4页/共37页经
3、典 时 空 观 失 败第5页/共37页迈-莫实验以太光 对 地球光 对 以太地球 对 以太 若能用实验证明光波对地球的相对运动 符合上述规律，则地球对以太的绝对运动将被证实，“以太”观点成立。迈克耳孙设计了一种检验方法 根据“以太”观点，充满宇宙的“以太”是一切运动的绝对参考系。光波靠“以太”传播，光对“以太”的绝对速度为 。若在地球上固定一光源 ，按伽利略的速度合成法则，地球对以太的绝对运动必满足：或迈克耳孙 莫雷实验寻找“以太”失败实例R第6页/共37页 若能用实验证明光波对地球的相对运动 符合上述规律，则地球对以太的绝对运动将被证实，“以太”观点成立。迈克耳孙设计了一种检验方法：根据“以
4、太”观点，充满宇宙的“以太”是一切运动的绝对参考系。光波靠“以太”传播，光对“以太”的绝对速度为 。若在地球上固定一光源 ，按伽利略的速度合成法则，地球对以太的绝对运动必满足：或迈克耳孙 莫雷实验寻找“以太”失败实例以太光 对 地球光 对 以太地球 对 以太续8地球光 对 以太地球 对 以太光 对 地球底盘镜镜玻片11 m臂长l=590 nm迈克耳孙干涉仪观察记录干涉条纹迈克耳孙 莫雷实验假如存在“以太”，的大小必与传播方向有关。绕中心O 转动干涉仪，两臂光程差必改变，干涉条纹必有移动。干涉仪转过 90，两臂位置取向互换，光程差改变达极大，条纹移动量亦达极大。相对速率若“以太”观点成立，预期有
5、 0.4 根条纹移动量。（仪器的灵敏度，可判断0.01 根条纹的移动量）。30 km/s地球绝对速度属假设。在估算 干涉条纹移动量时用地球的公转速度 。这并不影响实验原理。实测结果 经过不同季节、不同时间的反复仔细观测记录，没有发现预期的条纹移动。在历史上曾被称为有关寻找 “以太”著名的“零结果”。寻找“以太”失败实例地球底盘镜镜玻片迈克耳孙干涉仪观察记录干涉条纹相对速率地球底盘镜镜玻片11 m臂长l=590 nm迈克耳孙干涉仪观察记录干涉条纹相对速率第7页/共37页双星周期的测量:伴星B绕A,B的质心旋转。按伽利略变换地球S上测得双星的半周期在伽利略变换下应为 第8页/共37页因此测全周期应
6、为！？伽利略变换值得怀疑！如果认为光速与光源（或接收器）是否运动没有关系，问题便得以解决。若直接测全周期双星周期的测量再一次证实了光速不变性，肯定了伽利略变换式必须修改！第9页/共37页面对电磁学规律不满足伽利略相对性原理有三条路1)坚持经典时空观,但对电磁学规律进行修正发射假设2)伽利略变换作修正洛仑兹:收缩假设3)建立全新的时空观爱因斯坦:狭义相对论拖带理论:为解释迈克耳逊干涉实验的结果,有人提出,由于以太很轻,所以地球在自转时带着以太一起运动,因而它们相对静止,所以观察不到相对以太的运动.拖带理论发射假设:有人提出光相对于光源的速度是c,由于光源随地球一起运动,并与仪器相对静止,所以只能
7、观察到光速=c.收缩假说:为解释迈克耳逊干涉实验的结果,而又保留以太说,洛仑兹于1892年提出收缩假说,他假定在相对于以太运动的方向上,物体的长度会收缩,收缩的比例因子是 ,这样一来,在迈克耳逊干涉实验结果就可以得到解释。3、爱因斯坦为什么要提出新时空观？第10页/共37页理论理论光学实验光学实验其它实验其它实验 固定以太理论固定以太理论 O O O O O O O O V相对于光源相对于光源=c O O O O 太阳光源迈克尔孙实验双星运行周期的观察运动的光源和反射镜现象肯尼迪-桑戴克实验迈克尔孙实验斐索运流实验光行差现象永磁体单极感应实验高速介子衰变实验运动电荷辐射实验普遍的质能相当实验质
8、量随速度变化实验以太理论以太附着在有质物体上的理论(拖拽)发射理论V反相对反射镜=cV反相对于光源的象=c狭义相对论 O O O O O OO O O O第11页/共37页爱因斯坦说过，我的理论被证实过一万次也不能证明这个理论是正确的，相反，只要有一次发现是错误的，那就足以证明这个理论是错误的。第12页/共37页世界上最大的机器：“大型强子对撞机”不仅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的机器。它位于瑞士、法国边境地区地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里。地球上最快的“轨道”：如果“开足马力”，数以百万计的粒子将在环形隧道内以每秒11245圈的速度“狂飙”，约等于光速的
9、99.99%。第13页/共37页设在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心2010年30日宣布，当今世界最大粒子加速器（LHC），由CERN控制的大型强子对撞机日成功地让两束质子束流对撞，并获得7万亿电子伏特的能量，这是迄今最高能量的质子束流对撞试验。本次试验用于模拟亿年前宇宙大爆炸之后的最初状态，实验的成功将有助于科学家进一步研究宇宙的起源。为什么需要如此大的能量？-这是源于相对论的公式：第14页/共37页第15页/共37页英国自然杂志网站2011年9月22日报道,欧洲研究人员发现了难以解释的中微子超光速现象,这一现象违背了爱因斯坦相对论,研究人员目前对此持谨慎态度,希望全球科学家能共同探究原因。据报
10、道,意大利格兰萨索国家实验室下属的一个名为OPERA的实验装置接收了来自著名的欧洲核子研究中心的中微子,两地相距730公里,中微子“跑”过这段距离的时间比光速还快了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。参与实验的瑞士伯尔尼大学的安东尼奥 伊拉蒂塔托说,他和同事被这一结果震惊了,他们随后反复观测到这个现象1.6万次,并仔细考虑了实验中其他各种因素的影响,认为这个观测结果站得住脚,于是决定将其公开。修改相对论？第16页/共37页北京时间2012年2月23日消息，据美国科学杂志报道，2011年9月在意大利进行的OPERA实验宣称发现中微子速度超过光速。然而，这一“惊人发现”似乎因一个错误导致，罪魁祸首
11、可能是GPS装置与电脑之间“接触不良”。据熟悉此项实验的消息人士透露，提前60毫微秒似乎由连接GPS接收器(用于校正中微子飞行时间)的光缆与电脑内电子卡之间出现的接触不良所致。在测量数据穿行光缆长度所用时间时，研究人员发现数据所用时间比预计提前60毫微秒。由于这一时间从总用时中扣除，似乎能够解释中微子为何早到。不过，科学家仍需新数据证实这种假设。第17页/共37页两个基本假设 对所有惯性系，光在真空中的速率 物理规律都是相同的。在任何惯性系中，都等于同一量值 c。第18页/共37页在一切惯性系中，所有的物理规律都是相同的。1.(1)爱因斯坦相对性原理不论通过力学,电磁还是其它现象,都无法觉察到
12、所处的参考系的任何“绝对运动”一切相互之间做匀速直线运动的参考系都是等价的。不存在任何一个特殊的惯性参照系。等价表述第19页/共37页“在任何惯性系中光在真空中沿任何方向的速率都相等”,并与光源运动无关.(2)光速不变原理光速不变原理的数学表达式：O、O重合时发出光信号并开始计时。R第20页/共37页洛仑兹变换 光到达 B 为事件 2设：光到达 A 为事件 1对 ：两事件同时发生，对 ：两事件非同时发生。即 “同时”是相对的。（与惯性系有关）根据爱因斯坦的光速不变原理，不论对 或 光速都一样。故看到：闪光同时到达 A 、B 壁。看到：闪光先到达 B 壁，后到达 A 壁。则即而(中点）动画第21
13、页/共37页 光速不变的实质是全新的时空观:1.时间和空间与物质运动密切相关.2.时间间隔随惯性系而异.时间是相对量.3.空间间隔随惯性系而异.空间是相对量.则即而第22页/共37页模型在约定惯性系中进行某一事件的时空坐标变换相对 沿 方向以匀速 运动方向均无相对运动现推导有相对运动的 X 方向的时空坐标变换式：重合开始计时约 定 惯 性 系第23页/共37页变换式推导求待定系数得则及线性变换相对性原理对任一事件，变换式均应满足若在重合时原点处沿OX方向发分别观察此光信号光速不变原理出一光信号，传播到达的X坐标和时间关系应满足：推导重合开始计时相对 沿 方向以匀速 运动t=（t+hx）（1）t
14、=（t-hx）（2）第24页/共37页时空坐标变换式则 变为虚数，时空变换式无实际意义。时空不可分割高低速兼容物体不能超光速变换式揭示了时、空是相互依赖的。当 时，且 ，回到伽利略变换式。结果或写成其中 洛仑兹时空坐标变换时空坐标平权 具有对称性第25页/共37页洛仑兹时空坐标变换与光速不变的逻辑关系光速不变原理其中所以：x=ct;x=ct也适用于任何物理过程适用于任何物理过程？适用于任何物理过程包括光传播过程同时也包括了其他物理过程。在推导洛伦兹变换过程中，需要确定待定系数，于是只是借用光速传播这个特殊过程，来确定，并不意味着其他物理过程也必须满足x=ct;x=ct第26页/共37页两个物理
15、事件的时空间隔:1)已知S求S:2)已知S求S:第27页/共37页关 联 事 件第28页/共37页例 2.2410 8 (m/s)第29页/共37页A先向B开枪，过了12.5n s，B 才向 A开枪，因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的，假如你是车中的乘客 你看见的情况是怎样的？例、一列高速列车以0.6C的速度沿平直轨道运动,车上 A、B两人距离 L=10m。B在车前，A 在车后，当列车通过一站台时，突然发生枪战事件，站台上的人看到：第30页/共37页解：已知t=12.5ns x=10m 0问：为什么不直接用?动画第31页/共37页由于：u c，因果律在惯性系是绝对的。即：则：x0，u0。那么:t 与t 同号!结论：若 x2x1，如果两事件有因果关系：A开枪，B中弹。代表子弹飞行速率。看t 与t 有什么关系：若 x2 x1，则：x0，u0。第32页/共37页洛 仑 兹 速 度 变 换S系S 系根据：第33页/共37页得：？同理可证：第34页/共37页洛仑兹速度变换公式已知S系的速度，求S系的速度已知S系的速度，求S系的速度第35页/共37页例第36页/共37页感谢您的观看！第37页/共37页