1、第十五章第十五章 相对论简介相对论简介 15.1 15.1 相对论的诞生相对论的诞生 牛顿的经典力学牛顿的经典力学的基础就是以牛顿命名的的基础就是以牛顿命名的 三条定律三条定律，这一理论这一理论形成于十七世纪形成于十七世纪，在以在以 后的两个多世纪里后的两个多世纪里，牛顿力学对科学和技术牛顿力学对科学和技术 的发展起了巨大的推动作用的发展起了巨大的推动作用，同时自身也得同时自身也得 到了很大发展到了很大发展。但是但是，进入进入二十世纪二十世纪，物理物理 学研究的领域开始深入到了微观高速领域学研究的领域开始深入到了微观高速领域， 这时人们发现这时人们发现牛顿力学在这些领域不再适用牛顿力学在这些领
2、域不再适用。 物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期物理学的发展要求对牛顿力学以及某些长期 认为是不言自明的基本观念作出根本性的变认为是不言自明的基本观念作出根本性的变 革革，物理学需要一场革命物理学需要一场革命！ 二十世纪初诞生的二十世纪初诞生的相对论和量子力学相对论和量子力学就是就是 这场从经典物理向近代物理变革的标志这场从经典物理向近代物理变革的标志 一、经典的相对性原理一、经典的相对性原理 1 1、惯性系：惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的 另一个参考系也是惯性系另一个参考系也是惯性系 2
3、 2、伽利略相对性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的 还可表述为：在一个惯性参考系内进行的还可表述为：在一个惯性参考系内进行的 任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相 对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说， 任何惯性系都是平权的任何惯性系都是平权的。 牛顿的伽利略相对性原理是作为基牛顿的伽利略相对性原理是作为基 本假设提出来的本假设提出来的，它之所以为人们接受它之所以为人们接受 承认承认，一方面是牛顿力学在解决力学问一方面是牛顿力学在解决力学问 题获得的巨大功；另一
4、方面观察结果与题获得的巨大功；另一方面观察结果与 人们的经验相符人们的经验相符。 但是十九世纪中叶但是十九世纪中叶，人们在研究与物人们在研究与物 体运动有关的电磁现象时体运动有关的电磁现象时，发现发现在在电磁电磁 现象的规律不符合相对性原理现象的规律不符合相对性原理 其中最典型的就是其中最典型的就是光速光速的问题的问题 不同的参考系中观察物体的运动情况可能不不同的参考系中观察物体的运动情况可能不 同，物体在空间移动这一概念也是相对的同，物体在空间移动这一概念也是相对的 在不同参在不同参 考系中观考系中观 察物体的察物体的 运动情况运动情况 光速恒定的特性，同运动的相对性原理光速恒定的特性，同运
5、动的相对性原理 之间似乎产生了矛盾？之间似乎产生了矛盾？ 但是实验现象表明，不论光源和但是实验现象表明，不论光源和 观察者做怎样的相对运动，光速都是观察者做怎样的相对运动，光速都是 恒定的恒定的 v v 光速光速 c 光速光速 vc 这一结论还特别为后来的很多精确的实验这一结论还特别为后来的很多精确的实验 所证实所证实，最著名的是最著名的是18871887年迈克尔逊和莫雷年迈克尔逊和莫雷 所做的实验所做的实验。它们都明确无误地证明光速的它们都明确无误地证明光速的 测量结果与光源和测量者的相对运动无关测量结果与光源和测量者的相对运动无关， 亦即与参照系无关亦即与参照系无关。 可见光和电磁波的运动
6、不服从伽利略相对可见光和电磁波的运动不服从伽利略相对 原理原理. . 任何参照系中测得的光在真空的速率任何参照系中测得的光在真空的速率 都应该是这一数值都应该是这一数值 18 10992 mSc. 当时人们为了解决这个困难当时人们为了解决这个困难，提出了三提出了三 种可能：种可能： （1 1）麦克斯韦电磁理论有错麦克斯韦电磁理论有错，正确的电磁方程正确的电磁方程 组应满足伽利略不变性组应满足伽利略不变性。 （2 2）牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对牛顿力学与麦克斯韦电磁理论都对，但麦但麦 克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。 （3 3）牛顿力学与伽利略变
7、换不对牛顿力学与伽利略变换不对，应存在某种应存在某种 变换变换，麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具麦克斯韦电磁理论在这种新的变换下具 有不变性有不变性。这意味着经典牛顿力学要作修改这意味着经典牛顿力学要作修改， 修改后的力学方程在新的变换下具有不变性修改后的力学方程在新的变换下具有不变性。 二、相对性原理与电磁规律二、相对性原理与电磁规律 1919世纪后半叶和世纪后半叶和2020世纪初世纪初，物理学家们物理学家们 曾经猜想曾经猜想，有一种叫做以太的介质有一种叫做以太的介质，弥漫在弥漫在 宇宙中宇宙中，它是电磁波传播时所需要的介质它是电磁波传播时所需要的介质， 拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论
8、才成拿以太做参考系时麦克斯韦的电磁理论才成 立立今天看来今天看来，以太是某一特殊参考系的代以太是某一特殊参考系的代 表表麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参麦克尔逊实验表明不存在这样的特殊参 考系考系，实际上就是宣布宇宙间不存在以太实际上就是宣布宇宙间不存在以太 上述的矛盾使物理学家面临两个选择上述的矛盾使物理学家面临两个选择，一一 是修正现有的理论是修正现有的理论，去迎合实验结果去迎合实验结果（这这 相对比较容易相对比较容易，但常常无效但常常无效）； 另一种主另一种主 张张彻底摆脱彻底摆脱“麦克斯韦电磁理论只适用于麦克斯韦电磁理论只适用于 某一特殊的惯性系某一特殊的惯性系”，创立全新的理论创立
9、全新的理论。 爱因斯坦爱因斯坦、庞加莱等人选择了后者庞加莱等人选择了后者并提并提 出了两个假设：出了两个假设： 三、狭义相对论的两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设 1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是在不同的惯性参考系，一切物理规律都是 相同的。相同的。 2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相真空中的光速在不同的惯性参考系中是相 同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有 关系。关系。 就是在看来如此简单且最一般的两个假设的就是在看来如此简单且最一般的两个假设的 基础上爱因斯坦
10、建立了一套完整的理论基础上爱因斯坦建立了一套完整的理论狭狭 义相对论义相对论 对两个基本原理的正确理解对两个基本原理的正确理解 自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁自然规律不仅包括力学规律，还包括电磁 学规律等其他所有的物理学规律；学规律等其他所有的物理学规律； 强调真空中的光速不变指大小既不依赖于强调真空中的光速不变指大小既不依赖于 光源或观察者的运动，也不依赖于光的传光源或观察者的运动，也不依赖于光的传 播方向播方向 几十年来科学家采用各种先进的物理技术几十年来科学家采用各种先进的物理技术 测量光速，结果都不违背光速不变原理。测量光速，结果都不违背光速不变原理。 小小 结结 一、伽利略相对
11、性原理伽利略相对性原理 力学规律力学规律在任何在任何惯性系惯性系中都是相同的中都是相同的 二、相对性原理与电磁规律发生矛盾相对性原理与电磁规律发生矛盾 三、狭义相对论的两个基本假设三、狭义相对论的两个基本假设 1 1、狭义相对性原理、狭义相对性原理 在不同的在不同的惯性参考系惯性参考系，一切物理规律一切物理规律都是相同的都是相同的 2 2、光速不变原理、光速不变原理 真空中的光速真空中的光速在不同的惯性参考系中是在不同的惯性参考系中是相同相同的，的， 光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。 相对论的时空观念与人们固有相对论的时空观念与人们固有 的时空观念差别很大的时空观念差别很大，很难被普通很难被普通 人所理解人所理解。人们都称赞爱因斯坦伟人们都称赞爱因斯坦伟 大大，但又常常弄不懂这伟大的内容但又常常弄不懂这伟大的内容。 这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛这使人们想起英国诗人波谱歌颂牛 顿的诗句顿的诗句: : 自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：上帝说：“让牛顿去吧让牛顿去吧，” 于是一切都成为光明于是一切都成为光明。 后人续写道后人续写道: : 上帝说完多少年之后上帝说完多少年之后， 魔鬼说：魔鬼说：“让爱因斯坦去吧让爱因斯坦去吧，” 于是一切又回到黑暗中于是一切又回到黑暗中。
