1、相對論與天體物理經典經典力學力學的相對性原理的相對性原理 運動的相對性運動的相對性中國古代研究：尚書緯考靈曜中國古代研究：尚書緯考靈曜 “地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運地恒動而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運也。也?！?伽里略相對性原理伽里略相對性原理關于兩種世界體系的對話：關于兩種世界體系的對話： “理想船實驗理想船實驗”伽里略速度變換公式伽里略速度變換公式 ：uvv牛頓力學的不變性：牛頓力學的不變性： aa 伽利略相對性原理伽利略相對性原理 1632年，伽利略發表了年，伽利略發表了關于關于兩種世界體系的對話兩種世界體系的對話一書，其中對船艙里觀察一書，其中對船艙里觀察到的現象有一段生

2、動的描述：到的現象有一段生動的描述：“船停著不動船停著不動時，你留神觀察，小蟲都以等速向各方向飛行，時，你留神觀察，小蟲都以等速向各方向飛行，魚向各個方向隨意游動，水滴滴進下面的罐中；魚向各個方向隨意游動，水滴滴進下面的罐中；你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，你把任何東西扔給你的朋友時，只要距離相等，向這一方向不必比向另一方向用更多的力，你雙向這一方向不必比向另一方向用更多的力，你雙腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相同。當腳齊跳，無論向哪個方向跳過的距離都相同。當你仔細觀察這些事情之后，再使船以任何速度前你仔細觀察這些事情之后，再使船以任何速度前進，只要運動是勻速的，也不忽左忽右地擺

3、動，進，只要運動是勻速的，也不忽左忽右地擺動，你將發現，所有上述現象絲毫沒有變化。你也無你將發現，所有上述現象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個現象來確定，船是在運動還是法從其中任何一個現象來確定，船是在運動還是停著不動停著不動”伽利略這段描述說明：伽利略這段描述說明：凡是牛頓運動定律成立的參照系，稱為慣凡是牛頓運動定律成立的參照系，稱為慣性參照系，或簡稱性參照系，或簡稱慣性系慣性系。地面參照系是。地面參照系是慣性系，相對地面做勻速直線運動的船也慣性系，相對地面做勻速直線運動的船也是慣性系。一般而言，相對慣性系做勻速是慣性系。一般而言，相對慣性系做勻速直線運動的任何參照系，都是慣性系。直線運

4、動的任何參照系，都是慣性系。牛頓運動定律成立的參考系，稱為牛頓運動定律成立的參考系，稱為慣性參考系慣性參考系，簡稱慣性系簡稱慣性系牛頓運動定律不成立的參考系，牛頓運動定律不成立的參考系，稱為稱為非慣性系非慣性系 綜上所述，相對任何慣性系，力綜上所述，相對任何慣性系，力學規律都具有相同的形式。換言學規律都具有相同的形式。換言之，之，在描述力學的規律上，一切在描述力學的規律上，一切慣性系都是等價的。慣性系都是等價的。這一原理稱這一原理稱為伽利略相對性原理，或經典力為伽利略相對性原理，或經典力學的相對性原理學的相對性原理。狹義相對論的兩個基本原理：狹義相對論的兩個基本原理：相對性原理相對性原理 一切

5、物理定律，在不同的慣性系中是一切物理定律，在不同的慣性系中是相同的相同的 光速不變原理光速不變原理 光在真空中的傳播速度在不同的慣性光在真空中的傳播速度在不同的慣性系中測得的數值都是相同的系中測得的數值都是相同的 愛因斯坦分析了物理學的發展，特別是電愛因斯坦分析了物理學的發展，特別是電磁理論，于磁理論，于1905年提出了狹義相對論。狹年提出了狹義相對論。狹義相對論的基本原理可表述于下：義相對論的基本原理可表述于下： 1.1.相對性原理相對性原理 相對任何慣性系，包括電相對任何慣性系，包括電磁理論在內的物理規律具有相同的形式。磁理論在內的物理規律具有相同的形式。 2.光速不變原理光速不變原理 相

6、對任何慣性系，真空相對任何慣性系，真空中的光速都是一個常量，中的光速都是一個常量，c3.0108米米/秒，與傳播的方向無關，秒，與傳播的方向無關，與光源的速度與光源的速度也無關。也無關。一、一、“同時同時”的相對性的相對性 車廂上的人和地面上的人看到車廂中間燈光到車廂上的人和地面上的人看到車廂中間燈光到達前后車廂的先后是不一樣的達前后車廂的先后是不一樣的 車上車上的觀察者認為光的觀察者認為光同時到達車廂的前后兩壁同時到達車廂的前后兩壁 站臺上站臺上的觀察者認為光的觀察者認為光先到車廂后壁后到前壁先到車廂后壁后到前壁二、長度的相對性二、長度的相對性 v v車上的人看到的車廂的長度：車上的人看到的

7、車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度：車外的人看到的車廂的長度：0ll0ll201cvll注意：注意：長度縮短效應長度縮短效應只發生在只發生在相對運動的方向上相對運動的方向上如上例中的如上例中的 X X 軸方向上，在軸方向上，在Y Y 軸方向上軸方向上無無長度縮短效應長度縮短效應動尺變短（空間收縮效應）動尺變短（空間收縮效應）S SO O X X YYA B O O S SX XY Y u1xl 結論結論 一條一條沿自身長度方向運動沿自身長度方向運動的桿，的桿，其長度總比桿靜止時的長度小其長度總比桿靜止時的長度小三、時間間隔的相對性三、時間間隔的相對性在站臺上看運在站臺上看運動火車上的鐘動火車

8、上的鐘在火車上看運在火車上看運動站臺上的鐘動站臺上的鐘 高速運行的列車上，由車廂底部發出的閃光，對高速運行的列車上，由車廂底部發出的閃光，對于車上的人來說，閃光是在豎直方向反射的，而車于車上的人來說，閃光是在豎直方向反射的，而車廂外的人認為被接收的反射光是沿斜線傳播的廂外的人認為被接收的反射光是沿斜線傳播的對于車廂內的人：對于車廂內的人：對于車廂外的人：對于車廂外的人：cht202224vchth201cvtt四、時空相對性的實驗驗證四、時空相對性的實驗驗證 根據相對論，時間根據相對論，時間在運動中會進行的比在運動中會進行的比較緩慢，也就是說，較緩慢，也就是說，在空間中高速移動的在空間中高速移

9、動的時鐘，比固定于地面時鐘，比固定于地面上的時鐘走得慢上的時鐘走得慢19711971年，科學家將銫原子鐘放在噴氣式飛機中作環年，科學家將銫原子鐘放在噴氣式飛機中作環球飛行，然后與地面的基準鐘對照實驗結果與理論預球飛行，然后與地面的基準鐘對照實驗結果與理論預言符合的很好這是相對論的第一次宏觀驗證言符合的很好這是相對論的第一次宏觀驗證201cvtt201cvll當兩個參考系的當兩個參考系的相對速度可與光速相相對速度可與光速相比時，時間與空間的比時，時間與空間的相對性才比較明顯相對性才比較明顯 狹義相對論的結論已經完全得到證實，實際狹義相對論的結論已經完全得到證實，實際上它已經成為微觀粒子研究的基礎

10、之一上它已經成為微觀粒子研究的基礎之一 牛頓牛頓物理學的物理學的絕對時空觀絕對時空觀：物理學的：物理學的空間空間與時間與時間是絕對分離是絕對分離沒有聯系沒有聯系的，脫離物質而的，脫離物質而單獨存在，單獨存在，與物質的運動無關與物質的運動無關。 而相對論認為：有物質才有時間和空間，而相對論認為：有物質才有時間和空間，空間和時間與物體的運動狀態有關?？臻g和時間與物體的運動狀態有關。 五、相對論的時空觀五、相對論的時空觀六、六、相對論的速度變換公式相對論的速度變換公式地面上的人看到車上地面上的人看到車上人相對地面的速度為：人相對地面的速度為：21cvuvuu車對地的速度為車對地的速度為v v，人對車

11、的速度為，人對車的速度為u u/ /vu21cvuvuu 如果車上人運動方向與火車運動方向相如果車上人運動方向與火車運動方向相反，則反，則uu取負值取負值 物體的運動速度不能無限增加，那么物物體的運動速度不能無限增加，那么物體的質量是否隨著速度而變化？體的質量是否隨著速度而變化？ 嚴格的論證表明，物體高速（與光速相嚴格的論證表明，物體高速（與光速相比）運動時的質量與它靜止時的質量之間有比）運動時的質量與它靜止時的質量之間有下面的關系：下面的關系：201cvmmm為運動質量為運動質量 m0為靜止質量為靜止質量七七、相對論質量、相對論質量 微觀粒子的速度很高，它的質量明顯微觀粒子的速度很高，它的質

12、量明顯的大于靜止質量在研究制造回旋加速器的大于靜止質量在研究制造回旋加速器時必須考慮相對論效應的影響時必須考慮相對論效應的影響19881988年，中年，中國第一座高能粒國第一座高能粒子加速器子加速器北北京正負電子對撞京正負電子對撞機首次對撞成功機首次對撞成功 物體的能量和質量之間物體的能量和質量之間存在密切的聯系，他們的關存在密切的聯系，他們的關系是：系是：2mcE 這就是著名的愛因斯坦質能方程這就是著名的愛因斯坦質能方程八八、質能方程、質能方程復復 習習一、狹義相對論的兩點假設：一、狹義相對論的兩點假設：1 1、狹義相對性原理、狹義相對性原理 在不同的在不同的慣性參考系慣性參考系，一切物理規

13、律一切物理規律都是都是相同的相同的2 2、光速不變原理、光速不變原理 真空中的光速真空中的光速在不同的慣性參考系中是在不同的慣性參考系中是相相同同的，光速與光源、觀察者間的相對運動沒有的，光速與光源、觀察者間的相對運動沒有關系。關系。二、由狹義相對論推出的幾個結論二、由狹義相對論推出的幾個結論1 1、“同時同時”的相對性的相對性2 2、動尺變短、動尺變短3 3、動鐘變慢、動鐘變慢4 4、速度變換公式、速度變換公式21cvuvuu201cvtt201cvll5 5、相對論質量、相對論質量6 6、質能方程、質能方程2mcE 201cvmm一、超越狹義相對論的思考一、超越狹義相對論的思考 愛因斯坦思

14、考愛因斯坦思考狹義相對論無法解決的兩狹義相對論無法解決的兩個問題：個問題：1 1、引力問題、引力問題 萬有引力定律無法納人狹義相對論的理萬有引力定律無法納人狹義相對論的理論框架；論框架；2 2、非慣性系問題，、非慣性系問題， 狹義相對論只適用于慣性系，為什么慣狹義相對論只適用于慣性系，為什么慣性系具有這樣的地位？狹義相對論無法解性系具有這樣的地位？狹義相對論無法解釋釋 二、廣義相對性原理和等效原理二、廣義相對性原理和等效原理1 1、廣義相對性原理：、廣義相對性原理： 在任何參考系中，物理規律都是相同的。在任何參考系中，物理規律都是相同的。伽利略相對性原理伽利略相對性原理 力學規律力學規律在在任

15、何慣性系任何慣性系都是都是相同相同的的愛因斯坦狹義相對性原理愛因斯坦狹義相對性原理(1905年年) 在在不同的慣性參考系不同的慣性參考系中，中，一切物理規律一切物理規律都有是都有是相同相同的；的； 愛因斯坦廣義相對論原理（愛因斯坦廣義相對論原理（1916年）年） 在在任何參考系中任何參考系中(包括非慣系）所有的物理規律包括非慣系）所有的物理規律都是都是相相同同的，稱為廣義相對性原理。的，稱為廣義相對性原理。邏輯形式逐漸簡約邏輯形式逐漸簡約2 2、等效原理：、等效原理： 一個一個均勻均勻的引力場與一個做的引力場與一個做勻加速勻加速運動運動的參考系等價。的參考系等價。 如果飛船做勻加速運動，在光如

16、果飛船做勻加速運動，在光向右傳播的同時，飛的速度也在不向右傳播的同時，飛的速度也在不斷增大，因此船上觀察者記錄下的斷增大，因此船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條拋物線。光的徑跡是一條拋物線。三、廣義相對論的幾個結論三、廣義相對論的幾個結論1 1、物質的引力使光線發生彎曲、物質的引力使光線發生彎曲 如果飛船做勻速直線運動，船如果飛船做勻速直線運動，船上觀察者記錄下的光的徑跡是一條上觀察者記錄下的光的徑跡是一條直線（虛線）直線（虛線） 飛船外觀察者看到這束光是飛船外觀察者看到這束光是直線傳播的（水平向右）直線傳播的（水平向右）各各類類星星體體對對比比宇宙中有一類恒星，體積很小，質量卻很大，叫宇宙中有

17、一類恒星，體積很小，質量卻很大，叫做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進程做矮星，引力勢比地球低的多，矮星表面的時間進程比較慢，哪里的發光的頻率比同種的原子在地球上發比較慢，哪里的發光的頻率比同種的原子在地球上發光頻率低，看起來偏紅，這個現象叫做引力紅移光頻率低，看起來偏紅，這個現象叫做引力紅移3 3、引力紅移、引力紅移 由于物質的存在，實際空間并不是均勻由于物質的存在，實際空間并不是均勻的，空間發生了的，空間發生了“彎曲彎曲”：點擊點擊觀看觀看狹義、廣義相對論比較狹義、廣義相對論比較狹義相對論狹義相對論廣義相對論廣義相對論不同的不同的慣性慣性參考系中一參考系中一切物理規律切物理規律都是相同的都是相同的 任何參考系任何參考系（包括非慣性（包括非慣性系）中物理規系）中物理規律都是相同的律都是相同的真空中的光真