物理与文化第讲时空观的革命——相对论精要.ppt

1905年，26岁的爱因斯坦（伯尔尼的一个小技术员）一连发表了6篇文章，开辟了物理学发展的新方向：光量子、狭义相对论、布朗运动理论。使几千年来人们的绝对时空观发生了深刻的变革，由此导出的质能关系式 ，为原子能的应用开辟了道路。 1913－1915年，爱因斯坦进一步创立的广义相对论，把牛顿万有引力理论提高到新的场论水平，为宇宙学研究开辟了道路。 本章的学习重点不在于那些数学公式，而是请同学们尽量领会爱因斯坦的科学思想和主要成就，这正是本章的主要目的。 爱因斯坦：“科学不仅仅是定律的集合，它是人类心智的的创造，包含了自由发明的思想和概念。。” §8.1 光速不变性和同时性的相对性 一、力学相对性原理和伽利略变换 1．牛顿的时空观 力学讨论的是物体位置随时间的改变，所以牛顿认为首先要对时空性质有所约定。 在牛顿之前，时间和空间都是与具体事物的运动联系在一起的，时间是用日月星辰的运动和水漏、沙漏来定义的，空间是用能热胀冷缩的杆来测量的。 伽利略引入了相对运动的概念， 但没引入绝对时空概念。 牛顿的伟大之处在于他引入了抽象的绝对时空： 绝对空间是均匀的、无限的和各向同性的； 时间是均匀的、无限的，而且时间和空间是相互独立的。 牛顿时空观深入人心，尽管后来遭到质疑和批评，但这丝毫不影响牛顿的伟大功绩。 声音靠空气传播，那么光靠什么传播？19世纪的科学家曾假定真空中有一种“刚性”极大的介质，叫“以太”，光靠它传播。 当时不少人也猜想：或许“以太”就是牛顿的绝对空间。 一切相对于绝对空间做匀速运动的参考系，都是惯性系。 2．力学相对性原理和伽利略变换 力学相对性原理：在两个相互作匀速运动的惯性系内，力学规律是不变的。 在两个惯性系之间的坐标系变化关系，满足伽利略变换。 假定 ， 和 重合，则有 伽利略变换正是牛顿力学中关于绝对空间和绝对时间观念的数学表述。 时间和长度在两个惯性系里是不变的。 二、测量“以太风”的迈克尔孙-莫雷实验 1．实验背景：早期人们类比声波，认为光也是通过某种介质——以太传播的。 以太应具有以下性质： 宇宙中存在一种看不见的弹性介质，充满整个宇宙，并且认为以太应该是绝对静止的参考系。 电磁波在以太中的传播速度约为3×108 m/s。只有相对以太作匀速直线运动的物体才是真正的惯性参考系。于是人们开始寻找以太，寻找绝对参考系。 2．实验目的： 试想，如果以太的确存在，则当地球在以太中绕太阳以 的速度高速运行时，在地球上应当感受到“以太风”。人们开始通过各种电学的或光学的实验来证实以太的存在，但是都得出了否定的结果。 其中最著名的实验当属1887年由迈克尔孙和莫雷所做的迈克尔孙-莫雷实验。 3. 实验装置和基本原理 由于地球相对以太运动，则到达探测器的两束光的时间差为 这个时间差，将引起两束光的光程差（即相位差）。实验中让整个仪器在水平面上平稳地转动，使以太的方向连续地改变，相当于 的值连续改变，将可观察到干涉条纹的移动。 4．实验结果 结果是看不到条纹的任何变化，也就是测不到“以太风”的存在。 5．洛伦兹的工作 在迈克尔孙-莫雷实验后，洛伦兹为了支持“以太”存在的说法，引入了“长度收缩”的假设，认为物体在运动时，在运动方向上会发生长度收缩，从而使到达探测器的两束光的 →0，以至看不到条纹运动。另外，他还在1904年又提出了一个关于时间的变换式的假设： 式中 为地球系统的时间，t为“以太”系统的时间。在上述两假设下，洛伦兹证明了在 的一级近似下，地球系统与“以太”系统的电磁规律是相同的。但是他却认为，在他的理论中t是真实时间，而 的引入完全是一种辅助手段。可见，t 和 意义不同，处于不同等地位。 “以太”坐标是一个处于特殊地位的优越坐标系，也就是说，电磁现象并不真的符合相对性原理。 三、爱因斯坦的追光佯谬，狭义相对论的两个基本原理 1．爱因斯坦的追光佯谬的提出 提出的背景 （1）迈克尔孙-莫雷实验以及洛伦兹的工作的启发。尽管在爱因斯坦的文章中并没有提到迈克尔孙-莫雷实验，也许在他看来，一个或几个特殊实验都不足以确立一个普遍原理。 （2）马赫哲学的影响(奥地利物理学家、哲学家、生物学家、心理学家)。 在马赫的哲学中包含着怀疑的经验主义的思想，即不能被经验所证实的概念都是可以怀疑的。 马赫对牛顿的绝对时空观提出尖锐的批评，为爱因斯坦放弃时间的