第十五章 相对论简介
15.1
相对论的诞生
一、问题的提出
如果有人对你说：“你头脑中的一些概念是不科学的．”你相信吗？
一、问题的提出
人们头脑中的概念从科学性来讲，可以分为两类：第一类是科学的：第二类是经验的，但不是科学的．
一、问题的提出
请问：
1
、标准尺的长度静止时和运动时的长度是一样吗？
2
标准钟的快慢运动时和静止时是一样吗？在高山顶和山谷是一样吗？
二、几个经典概念和规律
1
、空间：
人们通常所说的空间量，不外乎线的长度、平面物曲面的面积、形体的体积等等．它们都可以用标准尺来量度．
二、几个经典概念和规律
2
、时间：
通常，时间不外乎两个事件的时间间隔、一个事件比另一个事件发生得早些或晚些、两个事件同时发生等等．原则上时间都可以用标准钟来量度．
二、几个经典概念和规律
3
牛顿在他所著的
《
自然哲学的数学原理
》
一书中写道：
绝对的空间，
本质上是与外界无关的，是同一的和静止的．
绝对的时间
，本质上是一种与外界物体无关的均匀流动．
这就是牛顿力学中的绝对空间和绝对时间概念．
二、几个经典概念和规律
4
、空时坐标
（
1
）空间坐标：
需要
3
个空间量．比如：（
x
、
y
、
z
）．
（
2
）空时坐标：
需要
4
个数．比如
：（
x
、
y
、
z
、
t
）．
二、几个经典概念和规律
5
、速度合成法则：
（
1
）伽利略变换式：
设有两个参考系
S
和作匀速运动，且
S/
相对
S
沿
X
轴以速度
v
运动．则事件
P
在两坐标系中变换关系是
二、几个经典概念和规律
5
、速度合成法则：
（
2
）速度合成法则
：设质点在在
S
/
中的速度为
u
/
，则在
S
中的速度为
u
=
u
/
+
v
二、几个经典概念和规律
6
、惯性系：
牛顿运动定律成立的参考系．
凡是相对于惯性系做匀速直线运动的参考系都是惯性系．
二、几个经典概念和规律
7
、牛顿力学中的相对性原理：
牛顿运动定律的数学形式在所有的惯性系中都是相同的，或者说，牛顿运动定律的数学形式在伽利略变换是不变的．
二、几个经典概念和规律
7
、牛顿力学中的相对性原理
：（其它表述）
（
1
）在任何两个惯性系中做同一个力学实验都会得到相同的结果；
（
2
）用任何力学方法都无法将两个惯性系分开；
（
3
）对于描述力学现象，所有的惯系都是平权的．
三、经典物理学的困难
1
、在经典物理学中，牛顿运动定律能够描述所有力学现象．
2
、在电磁学领域，麦克斯韦电磁场理论能描述所有的电磁学现象．并指出：在任一惯性系中，光速各向同性，大小都等于
c
．
3
、问题：假设光
S
在中的速度是
c
，它在
S/
中的速度是多少？
但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是恒定的．
v
光速＝
光速＝
19
世纪后半叶和
20
世纪初，物理学家们曾经猜想，有一种叫做
以太
的介质，弥漫在宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质，拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成立．今天看来，以太是某一特殊参考系的代表．麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太．
麦克尔逊莫雷实验
这一结论还特别为后来的很多精确的实验所证实，最著名的是
1887
年迈克尔逊和莫雷所做的实验。它们都明确无误地证明光速的测量结果与光源和测量者的相对运动无关，亦即与参照系无关。
可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对原理
.
任何参照系中测得的光在真空的速率都应该是一样的．
当时人们为了解决这个困难，提出了三种可能：
（
1
）麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程组应满足伽利略不变性。
（
2
）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。
（
3
）牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改，修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。
上述的矛盾使物理学家面临两个选择，
一是修正现有的理论，去迎合实验结果
（这相对比较容易，但常常无效）； 另一种主张
彻底摆脱
“
麦克斯韦电磁理论只适用于某一特殊的惯性系
”，创立全新的理论。爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者．并提出了两个假设：
四、狭义相对论的两个基本假设
1
、狭义相对性原理
在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的
2
、光速不变原理
真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。
对两个基本原理的正确理解
①自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁学规律等其他所有的物理学规律；
②真空中的光速不变指大小既不依赖于光源或观察者的运动，也不依赖于光的传播方向
③几十年来科学家采用各种先进的物理技术测量光速，结果都不违背光速不变原理。
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又常常弄不懂这伟大的内容。这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句
:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：
“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。
后人续写道
:
上帝说完多少年之后，魔鬼说：
“让爱因斯坦去吧，”于是一切又回到黑暗中。
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