1、第十四章 相對論,special relativity,涉及非慣性系和引力場問題,是現代宇宙學的理論基礎,涉及慣性系中所做的各種測量的比較,應用于天體物理、原子物理和基本粒子物理等學科的研究領域,14-1 伽利略變換式 牛頓的絕對時空觀,14-2 邁克耳孫-莫雷實驗,14-3 狹義相對論的基本原理 洛倫茲變換式,14-4 狹義相對論的時空觀,14-6 相對論性動量和能量,第 十四 章 相對論,14-1 伽利略變換式 牛頓的絕對時空觀,14-2 邁克耳孫-莫雷實驗,14-3 狹義相對論的基本原理 洛倫茲變換式,14-4 狹義相對論的時空觀,14-6 相對論性動量和能量,第 十四 章 相對論,伽利

2、略變換,經典力學認為：1）空間的量度是絕對的，與參考系無關；2）時間的量度也是絕對的，與參考系無關,一 伽利略變換式 經典力學的相對性原理,在兩相互作勻速直線運動的慣性系中,牛頓運動定律具有相同的形式,二 經典力學時空觀,絕對空間: 空間與運動無關,空間絕對靜止. 空間的度量與慣性系無關,絕對不變,絕對時間: 時間均勻流逝,與物質運動無關, 所有慣性系有統一的時間,牛頓力學的相對性原理, 在宏觀、低速的范圍內,是與實驗結果相一致的.但在高速運動情況下則不適用,真空中的光速,對電磁現象的研究表明,電磁現象所遵從的麥克斯韋方程組 不服從伽利略變換,結果:觀察者先看到投出后的球，后看到投出前的球,試

3、計算球被投出前后的瞬間，球所發出的光波達到觀察者所需要的時間. (根據伽利略變換,1731年，英國一位天文愛好者觀察到南方夜空的金牛座上一團云霧狀東西，外型象螃蟹，稱蟹狀星云，距 我們五千光年。觀測表明以年0.21速率膨脹。到1920 年已膨脹到180，推算膨脹開始于860年前，即1060 年左右。人們推算這是900年前一次超新星爆發拋出 的氣體殼層。 這一點在我國史記中得到證實，宋會要記載：客星（超新星）最初出現在北宋至和元年（公元1054年），位置在金牛座天關附近，白晝看起來賽過金星，歷時23天，后慢慢暗下來，兩年后“隱沒,900 多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆發，這次爆發

4、的殘骸形成了著名的金牛星座的蟹狀星云北宋天文學家記載從公元1054年 1056年均能用肉眼觀察, 特別是開始的 23 天, 白天也能看見,物質飛散速度,當一顆恒星在發生超新星爆發時, 它的外圍物質向四面八方飛散, 即有些拋射物向著地球運動, 現研究超新星爆發過程中光線傳播引起的疑問,實際持續時間約為 22 個月,理論計算觀察到超新性爆發的強光的時間持續約,A 點光線到達地球所需時間,B 點光線到達地球所需時間,愛因斯坦,20世紀最偉大的物理學家之一, 1905年、1915年先后創立狹義和廣義相對論, 1905年提出了光量子假設, 1921年獲得諾貝爾物理學獎, 還在量子理論方面有重要貢獻,18

5、79-1955,14-1 伽利略變換式 牛頓的絕對時空觀,14-2 邁克耳孫-莫雷實驗,14-3 狹義相對論的基本原理 洛倫茲變換式,14-4 狹義相對論的時空觀,14-6 相對論性動量和能量,第 十四 章 相對論,真空中的光速是常量，沿各個方向都等于c ，與光源或觀測者的運動狀態無關，即不依賴于慣性系的選擇,1 相對性原理,物理定律在所有慣性系中都具有相同的表達形式,2 光速不變原理,一狹義相對論的基本原理,關鍵概念：相對性和不變性,伽利略變換與狹義相對論的基本原理不符,狹義相對論的基本原理與實驗事實相符合,這兩條基本原理是狹義相對論的基礎,二 洛倫茲變換式,符合相對論理論的時空變換關系,設

6、 時， 重合 ; 事件 P 的時空坐標如圖所示,1 洛倫茲坐標變換式,正變換,設 時， 重合 ; 事件 P 的時空坐標如圖所示,正變換,洛倫茲變換特點,1） 與 成線性關系，但比例系數,2） 時間不獨立， 和 變換相互交叉,1）時空是均勻的，因此慣性系間的時空變換應該 是線性的,變換基于兩點,1）時空是均勻的，因此慣性系間的時空變換應該 是線性的,2）新變換在低速下應能退化成伽利略變換,設 的 變換為,根據Einstein相對性原理,的 變換為,變換基于兩點,光脈沖波前所在點的空間坐標為,對 系,對 系,由光速不變原理,代入,代入,代入,代入,相乘,代入,代入,洛倫茲坐標變換式,2 洛倫茲速度

7、變換式,由洛侖茲變換知,洛倫茲速度變換式,正變換,在S系中沿x方向發射一光信號,光速在任何慣性系中均為同一常量，利用它可將時間測量與距離測量聯系起來,在S系中,例 設S系以速率v = 0.60c 相對于S系沿xx 軸運動，且在t = t = 0時，x = x =0 一事件，在S系中發生于t = 7.010-8s ，x =65m， y =0， z =0處，則該事件在S系中的時空坐標,解,2.510-7s,例一宇宙飛船沿x方向離開地球，以0.80c的速率航行宇航員推算在自己的參考系中，在（ 6.0108s ，1.801017m ，1.201017m ，0)處有一超新星爆發，試問在地球參考系中超新星

8、爆發的時空坐標？設飛船飛過地球時飛船上的鐘與地球上的鐘之示值均指為零,解地球: S系 宇宙飛船: S系,t = 6.0108s ，x = 1.801017m ， y = 1.201017m ， z =0,v = 0.80c,解地球: S系 宇宙飛船: S系,t = 6.0108s ，x = 1.801017m ， y = 1.201017m ， z =0,v = 0.80c,6.01016m,1.201017m,0,2.0108s,例一宇宙飛船沿x方向離開地球，以0.80c的速率航行宇航員推算在自己的參考系中，在（ 6.0108s ，1.801017m ，1.201017m ，0)處有一超新星

9、爆發，試問在地球參考系中超新星爆發的時空坐標？設飛船飛過地球時飛船上的鐘與地球上的鐘之示值均指為零,解地球: S系 宇宙飛船: S系,t = 6.0108s ，x = 1.801017m ， y = 1.201017m ， z=0,v = -0.80c,解地球: S系 宇宙飛船: S系,t = 6.0108s ，x = 1.801017m ， y = 1.201017m ， z=0,v = -0.80c,例 在地面上測得有兩個飛船a和b飛別以0.90c 的速度沿相反方向在地球上空飛行，求飛船a相對于飛船b的速度多大,解地球: S系 宇宙飛船b: S系,v = -0.90c,u = 0.90c,例 在地面上測得有兩個飛船a和b飛別以0.90c 的速度沿相反方向在地球上空飛行，求飛船a相對于飛船b的速度多大,解地球: S系 宇宙飛船b: S系,v = 0.90c,u = 0.90c,例 在地面上測得有兩個飛船a和b飛別以0.90c 的速度沿相反方向在地球上空飛行，求飛船a相對于飛船b的速度多大,解宇宙飛船a: S系 宇宙飛船b: S系,u