第3章 狹義相對論 3.1 狹義相對論的建立 3.2 洛倫茲變換 3.3 時間延緩和長度收縮 3.4 相對論速度變換 3.5 相對論動力學基礎 *3.6 廣義相對論簡介（不講）,到19世紀末，經典物理學的發展已經相當成熟，“往后無非在已知規律的小數點后面加上幾個數字而已”。,相對論和量子力學是近代物理學的兩個基礎理論，深刻改變人們對物質世界的認識。,第一朵烏云：測量地球相對“以太”運動的否定結果與存在絕對靜止的“以太”參考系相矛盾。,第二朵烏云：黑體輻射規律與經典物理理論中的能量均分定理相矛盾。,導致相對論和量子力學的誕生,但這時看似晴朗的物理學的天空卻出現了“兩朵烏云”。,1879 1955,Albert Einstein,愛因斯坦,3.1 狹義相對論的建立 3.1.1 時空變換 3.1.2 絕對時空觀和伽利略變換 3.1.3 狹義相對論的基本假設,時間和空間時空,分為三個階段：牛頓力學階段、狹義相對論階段、廣義相對論階段。,狹義相對論是慣性系中的時空的理論，不能處理涉及引力的問題。,物質的運動與時空的性質緊密相關，因此對時空性質的研究一直是物理學中的一個基本問題。,廣義相對論則把相對論推廣到任意參考系，是關于時空和引力的理論。,3.1.1 時空變換,設有一列火車在地面上作勻速直線運動，還有兩個結構完全相同的鐘和兩把完全相同的尺。,現把其中的一個鐘和一把尺放在火車上（動鐘、動尺），,實際上是時間與空間在兩個慣性系之間的變換問題,問：動鐘和靜鐘哪個走得快？動尺和靜尺哪個更長？,另一個鐘和另一把尺留在地面（靜鐘、靜尺），,并讓這兩把尺都沿著火車運動的方向放置。,在同一參考系中，這兩個鐘走得一樣快，這兩把尺的長度嚴格相等。,事件：具有確定的發生時間和確定的發生地點的物理現象,討論時空性質時，關心的是時空坐標或時空點，而不必再去關心引入時空概念的事件。,例如：一個閃光在某一時刻t，到達某一地點（x,y,z）就是一個事件，其時空坐標是（x,y,z,t）,一個事件發生的時間和地點，稱為該事件的時空坐標或時空點。,同一事件P在兩個慣性系中的時空坐標（ ）與（ ）之間的變換關系。,如何表示時間？,時間零點的定義：,當 O 和 O 重合時,時空變換：,時空變換反映了時間和空間與參考系選擇的關系,時空坐標代表時間和長度的測量值,牛頓力學認為，時間和空間是絕對的，且相互獨立，,即在兩個作相對運動的慣性系中測量，時間間隔和長度都是相同的（動鐘和靜鐘走得一樣快，動尺和靜尺的長度相同），,3.1.2 絕對時空觀和伽利略變換,伽利略變換：,伽利略速度變換：,絕對時空觀：,與參考系的選擇無關。,3.1.3 狹義相對論的基本假設,1. 歷史背景,1864年，麥克斯韋預言光是電磁波。根據電磁學理論，光在真空中的傳播速度：,0、0：真空介電常量、真空磁導率，與參考系無關,在任何慣性系中，光沿各個方向的傳播速度都等于c。,或者說：對于描述電磁波的傳播來說，所有慣性系都是平等的。,按伽利略速度變換，如果在某一慣性系 S 中沿各個方向的光速都是 c，則在以速度 u 運動的慣性系S 中觀測，沿運動方向的光速為 cu，沿反方向的光速為 c + u,光速不變與伽利略相對性原理矛盾：,（1）修改電磁學理論，讓它服從伽利略相對性原理。,電磁學理論正確性已被實驗驗證，涉及電磁波的傳播等高速運動，伽利略變換是否適用，從未被實驗檢驗過,解決這一矛盾有三種可能的選擇：,對于描述電磁波的傳播來說， S 系和 S 系不平等。,無理由修改電磁學理論,（2）認為伽利略相對性原理和電磁學理論都正確，,如果 “以太” 真的存在，地球就要相對 “以太” 運動，在地面上沿不同方向的光速就應該有差別。,光的 “以太” 假說：光在真空中傳播也需要介質，這種介質稱為 “以太”。,“以太”充滿整個宇宙空間，并且是絕對靜止的；在 “以太” 參考系中，沿各個方向的光速都是c。,但電磁學定律只是在絕對靜止的慣性系 “以太” 參考系 中成立。,18811887年期間，邁克耳孫和莫雷使用由邁克耳孫發明的干涉儀，試圖通過測量不同方向光速的差別來測量地球相對 “以太” 的運動。,把伽利略相對性原理加以推廣，讓電磁學理論服從推廣后的相對性原理。,（3）愛因斯坦的作法：,得到的是否定結果：,在地面上沿不同方向的光速相等，,因此 “以太” 參考系不存在。,他堅信相對性原理是自然界普遍規律的表現，揭示了同時性具有相對性，在1905年發表的題為論動體的電動力學的論文中，提出狹義相對論所依據的兩條基本假設，創建了狹義相對論。,2. 愛因斯坦相對性原理,對于描述物理定律（包括力學定律）來說，所有的慣性參考系都是平等的，不存在特殊的絕對慣性系。,實際上，1904年法國物理學家龐加萊就提出了相對性原理。,但是他下不了決心放棄光的“以太”假說，認為運動物體長度的收縮是實際的收縮，而沒有認識到這是不同慣性系之間進行時間測量的結果。,3. 光速不變原理,在所有慣性系中，光在真空中的傳播速度都等于c。或者說，無論光源和觀察者如何運動，觀察者測得的光速都等于c。,1964年，對速度為 0.99975c 的介子衰變發射的 射線進行了測量，沿介子（光源）運動方向發射的光子的速度，與光速c極其一致。,1983年，國際上規定：,光速：c = 299 792 458 ms1,1米：光在真空中1/299 792 458 秒內所經距離,引導愛因斯坦提出光速不變原理和