6.2 狭义相对论的基本原理

nullnull19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。 17世纪，笛卡尔首次将以太引入科学，作为传播光的媒质。惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中。一、绝对时空观的摒弃§6.2 狭义相对论的基本原理 牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为，发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流。18世纪，牛顿的微粒说占了上风。null 然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势，以太的学说也因此大大发展。 电磁学经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。 以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的载体。直到19世纪末，人们企图寻找以太。迈克耳逊 - 莫雷实验的起因——绝对静止参照系null机械波电磁波(光）1）依靠弹性媒质传播， 其波速由弹性模量和媒质密度决定。如声波在空气中传播2）波速是相对于和静止媒质保持相对静止的参照系的波速。1）依靠弥漫宇宙的“以太”（Aether）传播。 c 很大，故“以太”应比钢还硬且星体在其中运动时要畅行无阻。2）c 是相对“以太”参照系的速度。“以太”是宇宙间的绝对静止参照 系。null物理学是一门实验的科学。迈克尔逊、莫雷想用实验找到以太这个绝对静止的参照系。null 按照以上，Maxwell方程只对绝对静止的“以太”参照系成立，并且依照“GT”，在不同的参照系中应测出不同的光速。这意味着宇宙间存在一特殊的参照系——以太参照系，在这个参照系中光速是c，其它惯性系中将测出不同的光速。 电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。 但是，按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度，就是光的速度是一个恒量。按照牛顿力学的速度加法原理，不同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？ null迈克耳逊 - 莫雷实验对 (1) 光线：O  M1  O 伽利略变换的困难 Maxwell 电磁场方程组不服从伽利略变换 迈克耳逊 - 莫雷实验的零结果以太风(1)(2)null对 (2) 光线：O  M2  O由 l1 = l2 = l 和 v << c两束光线的时间差实验结果:迈克耳逊 - 莫雷实验的零结果，说明“以太”本身不存在。null 这意味着经典物理学出了问题，就像一朵乌云一样遮住了物理学晴朗的天空。1) 超越自我认识的局限 2) 自觉摆脱经验的束缚 ——以事实为依据创新、向传统观念挑战 像洛伦兹这位曾经研究电子理论且为相对理论奠定了基础的老物理学家，面对着这种矛盾，也曾绝望地说：“在今天，人们提出与昨天所说的话完全相反的主张，在这样的时期已经没有什么真理可见，也不知道什么是科学了。 null 爱因斯坦 冲破了旧的传统的思想的束缚这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。 1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，并在同年9月的该刊上发表。否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。 null    爱因斯坦又经过10年探索，建立了广义相对论。它奠定了20世纪物理学的基石。爱因斯坦仍不满足。他开始探索宇宙起源问题，并揭示出宇宙是“静态”的、有限无界的。他根据广义相对论，提出了三大命题：光线在太阳引力场中会发生弯曲；水星近日点运动规律；引力场中光谱线向红端移动。直到1919年5月之后，这些预言均得到验证。 狭义相对论推倒了牛顿力学的质量守恒、能量守恒、质量能量互不相关、时空永恒不变的基本命题。这是一场真正的科学革命。null一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物理学家中，爱因斯坦将位于最前列。他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”，“按照我的看法，他也许比牛顿更伟大，因为他对于科学的贡献，更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中。” 著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说： “爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。 相对论给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。 null天才物理学家——爱因斯坦发表了5篇论文，从根本上改变了物理学的面貌，为相对论、量子理论的发展作出了重要贡献。联合国大会通过决议确立2005年为“世界物理年”。世界物理年 1921年度诺贝尔物理学奖终于授给了爱因斯坦。这是科学圣殿对一位科学天才的正式承认，是科学和真理对傲慢和偏见的胜利。这个胜利来得太不容易，它姗姗来迟了16年。 null二、狭义相对论的两条基本原理 或：在一切惯性系中，物理定律都具有相同的形式。1）相对性原理——一切彼此相对作匀速直线运动的惯性系，对于描写运动的一切规律都是等价的。注意：这一原理实际上是伽利略力学相对性原理的推广，它不仅包含力学现象，而且包括一切其他的物理现象。——一切惯性系都是平权的。2）光速不变原理——真空中的光速相对任何惯性系，沿任意方向恒为c，且与光源的运动状态无关。包括两个意思： 光速不随观察者的运动而变化 光速不随光源的运动而变化 null一切物 理规律任何惯性系去测量光速都是c，与光源及参照系的运动无关。(1) Einstein 相对性原理 是 Newton力学相对性原理的发展。 (2) 光速不变原理与伽利略的速度合成定理针锋相对。力学规律(3)观念上的变革时间和长度等的测量牛顿力学速度与参考系有关(相对性)狭义相对论力学长度 时间 质量 速度与参考系有关null显然这是违背“GT”的，但迈克尔逊-莫雷实验的负结果就是必然的了。有人感到不好理解：如果不满足光速不变原理，因果关系将颠倒过，可是从来没有看到过这种现象。Xnull注意：A）惯性系；B）真空中 （介质中的光速 c =c/n）2）不要认为狭义相对论是迈克尔逊-莫雷实验的直接结果，它是近半个世纪大量实验和多位科学家研究的总结；当然迈克尔逊-莫雷实验对确认狭义相对论有重要影响。1）光速不变原理适用的条件