1相對論CONTENTS第9章現代物理學量子力學29.1課程標準

1.知識目標理解光速不變原理、鐘慢效應、尺縮效應、質增效應、質能關系式、等效原理。理解光譜線的引力頻移、光線在引力場中偏轉。了解行星近日點的進動、狹義相對論在時空觀上的突破、廣義相對論在時空觀上的突破。2.能力目標具備初步批判性思維能力。3.素質目標弘揚科學家精神，博學德清，鼎新致用到19世紀末，物理學取得了前所未有的進步和成功，但也爆發了一場危機。這場危機是由以太漂移實驗和對黑體輻射現象的研究引起的。

1890年4月27日英國皇家學會上，英國物理學家開爾文（1824—1907）稱為物理學晴朗天空中的“兩朵烏云”。

在科學發展的歷史的轉折關頭，掀起了一場空前的物理學革命，相對論和量子力學就是這場物理學革命的最主要的成果，它們構成了現代物理學的兩大理論支柱。第一節相對論一、狹義相對論（一）狹義相對論的主要內容

1905年，德國物理學家阿爾伯特·愛因斯坦發表了題為《論動體的電動力學》論文，提出了狹義相對。

“狹義”表示它只適用于慣性參考系。狹義相對論的主要內容包括兩條基本原理和一些重要結論。

1.兩條基本原理

（1）光速不變原理指在任何慣性系中光速都相同。凡是符合牛頓慣性定律的的參照系叫做慣性系。在經典物理中，速度合成律為：

v=u±v′

例如，我們在河邊看一個人游泳，時而順流而下，時而逆流而上。游泳者的速度是不變的，我們看速度是變化的。

牛頓的速度合成率牛頓的速度合成率不能解釋慣性系中的光速

速度合成率：

例如：在地球上看飛機上發射火箭，如飛機的速度是1聲速，火箭的速度也是1聲速，那么火箭的速度為：

1+1=2（聲速）如飛機和火箭以光速運行，在地球上看來，火箭的速度，不是1+1=2（光速）,而是一個光速。

（2）狹義相對性原理

在慣性系統中光速不變示意圖

2.重要結論

（1）運動的鐘變慢（鐘慢效應）

橫軸是物體的運動速度。縱軸表示當運動鐘走過1秒時，靜止的鐘走過了多少。

（2）運動的尺縮短（尺縮效應）

由狹義相對論的基本原理推出：一把靜止時長度為L0的尺子，當它相對于觀測者以速度v運動時，其長度就成為:L

如圖9-2，一把1米長的尺在運動過程中長度的變化：當速度達到光速的一半時，收縮15%。當速度達到每秒26萬千米時，收縮50%，也就是原來1米長的尺，現在只有50厘米了。結論：一個物體相對于觀察者靜止時，它的長度測量值最大。如果它相對于觀察者運動，則沿相對運動方向上的長度要縮短。速度越大，縮的越短。（當v→c,L→0）。

慣性坐標系

（3）質增效應

（4）質能關系式

（二）狹義相對論在時空觀上的突破

經典力學中有三個普遍的基本物理概念：質量、空間和時間。經典力學認為：空間向上下四方延伸，同時間無關；時間從過去流向未來，同空間無關。狹義相對論從根本上否定了以牛頓為代表的脫離物質運動的絕對時空觀。

狹義相對論里的鐘慢效應、尺縮效應和質增效應，表明時間、空間與物質的運動是不可分割的；通過愛因斯坦的質能關系式人們認識到，質量概念和能量概念表示的是物質的屬性，質量與能量相當，恰好說明物質與運動的不可分割的聯系。

二、廣義相對論（一）廣義相對論的主要內容

1、兩條基本原理

（1）等效原理一個加速運動系統所看到的運動與存在引力場的慣性系統所看到的運動完全相同。

例如，假定有一個外力，拉著實驗室向上作勻加速直線運動，加速度剛好等于地面上的重力加速度：a=g=9.8米／秒2。這時，實驗人員覺得自己恢復了重量，又站到地面了。一切都和地面上的情況一樣。

在一個非慣性系（實驗室向上作勻加速運動）里描述的物理過程的規律就和一個內部存在一均勻引力場上的慣性系（地球表面）所描述的物理過程的規律完全等效。這樣就把運動的相對性原理從慣性系推廣到非慣性系。等效原理思想實驗示意圖

（2）廣義相對性原理指物理規律在一切參照系中都一樣。廣義相對性原理一般通過等效原理來理解。既然等效，那就是一切都一樣。

用等效原理解釋引力現象2.重要結論

（1）行星近日點的進動水星軌道的近日點不是固定的。即近日點隨著時間逐漸“前移”，在300萬年內移動一周。還有一個解釋不了的每世紀43弧秒的附加進動，稱為“異常進動”。愛因斯坦用廣義相對論產生的時空曲率（尺縮效應），算出了這個異常進動值，正好是每世紀43弧秒。

之后，其他一些行星的這種近地點“異常”進動也被測量出了，它們的值也同樣與廣義相對論算出的值相吻合。水星近日點進動示意圖

（2）光譜線的引力頻移

一切物體在引力場附近時，都不可能走直線，因為引力的作用要使它們的軌道偏向引力源。根據等效原理可以判斷，光在引力場中傳播時，也會有類似的現象。引力場的空間不是平直的，是彎曲的黎曼空間（尺縮效應）。光線在引力場中的偏轉角經過計算是1.7秒。

（3）光線在引力場中偏轉

光譜線引力頻移示意圖光線在引力場中偏轉示意圖1919年愛丁頓領導的觀測隊，5月29日，他們在西非的普林西比島上拍攝了日全食時太陽附近的星空照片，然后與太陽不在這個天區時的星空照片相比較。發現太陽周圍那十幾顆星星，都向外偏轉了1.61±0.31〞,星光拐彎了。與愛丁頓同時觀測日全蝕的赴南美洲京市臘爾的遠征隊克羅姆林拍的照片之中，有7張和愛丁頓的那一張是一致的。向外偏轉了1.98±0.12〞。

愛丁頓經過反復計算、核對，排除一切誤差、干擾，最后他完全有把握認為：日全蝕的觀測，精確地證實了愛因斯坦的廣義相對論。

（二）廣義相對論在時空觀上的突破

愛因斯坦在廣義相對論中指出：在引力場中，空間的性質不再服從歐幾里得幾何，而是遵循非歐幾何。這就是說，現實的物質空間不是平直的歐幾里得空間，而是彎曲的黎曼空間；空間的彎曲程度取決于物質在空間中的分布狀況，物質密度大的地方，引力場也大，空間的彎曲也較厲害。

由此可見，廣義相對論認為時空的性質不僅取決于物質的運動狀態，而且取決于物質的分布狀況，這與脫離物質分布的絕對時空觀是絕然不同