第八章 相对论.pdf

工程物理
朱萍
浙江大学物理系
2006年3月23日
第八章相对论
1905年爱因斯坦(A.
Einstein,1879—1955年)
发表了阐述狭义相对论的重
要论文,建立了狭义相对论
。1916年又发表了《广义相
对论基础》。爱因斯坦创立
的相对论是上一世纪物理学
最伟大的成就之一。
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第八章相对论
1921年爱因斯坦荣获诺贝尔物理学奖
给爱因斯坦授奖的理由措词如下: “由于爱因斯
坦发现光电效应定律以及他在理论物理学领域的
其他工作,特向爱因斯坦授予奖金。”
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第八章相对论
狭义相对论(special relativity)
狭义相对论改变了经典力学中绝对时间和绝对空间的旧观
念,指出物理定律对一切惯性参照系是等价的,揭示了空
间与时间的内在联系、质量与能量的内在联系,建立了高
速运动物体的动力学规律。
广义相对论(general relativity)
广义相对论进一步指出物理定律对一切参照系都是等价
的,更深入地揭示了时空性质与运动的物质之间不可分
割的联系,提出新的引力理论和时空结构理论。成为天
体物理、高能物理和现代工程技术的理论基础。
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第八章相对论
§ 牛顿力学的时空观
„ 伽利略相对性原理
‹ 不可能在惯性系中,通过力学实验来判断惯性系
本身是否运动。
‹ 力学规律对一切惯性系都是等价的。
„ 绝对时空观
空间和时间彼此独立,它们的量度是绝对的,与
物质的运动无关。
Δt = Δt’Δx = Δx’
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第八章相对论
„ 伽利略坐标变换
设有两个惯性系S和S ′,t=t′= 0时,S与
系
S ′重合,S ′系相对S系以速度v沿x轴正 S y y′ S′系
方向匀速直线运动。某事件P, S系看,t v
时刻发生在(x,y,z)处,在S ′系中观察, o o′ x′
发生在时刻t ′和(x ′,y ′,z ′)处: vt x
z z′
坐标变换速度变换加速度变换
x′= x-vt ax′= ax
ux′= ux-v
y′= y ay′= ay
uy′= uy
z′= z az′= az
uz′= uz
t′= t
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第八章相对论
a′= a
在绝对时空观下,质点在不同惯性系的加速度是相同的。
在经典力学中,质量、时间和力都是常量,与参照系无关,
则在任何相对惯性系中牛顿定律都成立。
S系 F=ma
S ′系 F= ma ′
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第八章相对论
§ 牛顿力学的困难和爱因斯坦的两个基本假设
一、牛顿力学的困难
„ 光速不遵从经典的速度变换
900多年前(公元1054年5月)
一次非常著名的超新星爆炸
,前后历时22个月。其残骸
形成壮观的金牛座中的蟹状
星云。
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第八章相对论
物质飞散速度 v = km/s1500
A cv + vv
B v
c l = 5000 光年
l l
ttt −=−=Δ≈ 25年
AB c c + v
按伽利略变换计算至少在爆炸后25年里都可以观察到爆发
时所产生的强光。这与记载不符合,说明光速并不遵从伽
利略的速度变换。
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第八章相对论
„ 电磁现象的相对性原理
‹ 1861年Maxwell建立了描述电磁现象的Maxwell方程组,预
言了电磁波的存在,并导出电磁波在真空中的传播速度。
Maxwell方程不满足伽利略相对性原理,即在伽利略变换
下得不到相同形式。电磁现象对一切惯性系都是等价吗?
‹ 电磁波通过媒质以有限速度传播,其传播速度是只与介质
有关的常量;光是电磁波, Maxwell方程给出的光的传播
速度是相对哪个参考系的?
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