第三讲近代物理学的革命导论.ppt

第三讲 近代物理学的革命 王世恩 1、物理学晴朗天空中的两朵乌云 光速竟然都一样 1884和1887年，美国科学家迈克尔逊和莫雷两度以极 高的精度测量了被认为是不同参照系的光速。他们发现，在 一个参照系内测量到不同参照系的光速竟然都是一样的！不 存在伽利略变换的结果 热辐射的实验与经典理论 解释上的冲突。 伽利略变换 为了说明迈克尔逊实验，还得从伽利略变换谈起。 伽利略变换：如果运动参照系是相对于某个惯性系的以作匀速直线运 动的参照系，则分别在两个参照系中，对质点位置的测量所得到的坐标 满足如下的变换： 牛顿力学体系的绝对时空前提性假设： 在不同的参照系内对同一事件的测量结果 都相同。在不同的参照系内，对不同两个 事件其空间尺度、时间尺度和物质的测量 都是相同的，即 迈克尔逊－莫雷实验 麦克斯韦在提出电磁波存在的论断时，也 提出了电磁波是在“以太”这种特殊介质中进行 传播的假设，并于1879年建议用罗默的天文 学方法来研究这一问题 。 1881年，迈克尔逊决心用实验来测量电 磁波在“以太”这种特殊介质中进行传播时所 引起的效应。 迈克尔逊认为若地球绕太阳公转相对于以 太运动时，其平行于地球运动方向和垂直地 球运动方向上，光通过相等距离所需时间不 同，因此在仪器转动90°时，前后两次所产 生的干涉条纹必有移动。 1884和1887年，美国科学家迈克尔逊 和莫雷两度的实验结果均未发现干涉条纹有 任何的移动。这表明：在一个参照系内测量 到不同参照系的光速竟然都是一样的！ 2、瑞士伯尔尼专利局的小职员爱因斯坦作出的革命 爱因斯坦所做的革命 1905年，爱因斯坦认为，如果同一光波的 光速在任何不同惯性系中的测量都是一样的， 那在任何不同的惯性系中，电磁规律的表现应 该也是一样的。 爱因斯坦作了两个基本假设： 一是在所有相对于光源静止或相对于光源 作匀速直线运动的惯性系中进行测量，真空 中的光速都一样，为c，这就是光速不变原理； 二是对描述一切物理过程的规律，所有的惯性系都是等价 的，这就是所谓的狭义相对性原理。 以这两个假设为前提，爱因斯坦很自然地也导出了洛仑兹 变换。 爱因斯坦狭义相对论的意义 爱因斯坦的理论称之为狭义相对论，有着深刻的物理 意义。它表明，牛顿的绝对时空假设是不成立的，牛顿的 理论只在低速的情况下才成立。因为在低速情况下 (vc)，洛仑兹变换就可化为伽利略变换。这样，200多 年来行之有效的牛顿理论，就被爱因斯坦作了一次彻底的变 革。 3、奇妙的狭义相对论结论 时间延迟： 设S’系相对于惯性系S作匀速直线运动，速度为v0。在S’系内的观察者 在x’处静置一时钟。显然，这时钟相对于S系也是以速度v0作匀速直线运 动的。在S’系内的观察者测量到x’处某一事件的过程是从t’1时刻到t’2时 刻。这样，他测量到这一事件过程的时间间隔就是： 而在S系内的观察者测量到这同一事件过程是从t1时刻到t2时刻。这样，他 测量到这同一事件过程的时间间隔就是： 由洛仑兹变换，有 S S’ v0 o o’ x’ xx’ 两式相减就得： 即 这表明，运动的时钟比静止的时钟走得要慢。时钟静止时的某一时间间 隔 ，运动时却慢成了 。著名的双生子佯谬即来源于此。 尺度收缩－洛仑兹收缩 牛顿的绝对时空理念还包含了一个重要的特性。即在不同的参照系 内，对同一把尺子的测量，其长度都是一样的。 如考虑长为 l0 的尺子，把它静置于相对惯性系S作匀速v0直线运动的 S’系中。 S ’系相对于S系的运动方向取为x轴，尺子沿轴放置。尺子的两 端在S ’系内的观测者测量时，其坐标分别为x’1和x’2 。这样， S ’系内的 观测者测量到尺子的长度就为: 而在S系内的观测者测量时，尺子两端的坐标分别为x1和x2 。这样， S 系内的观测者测量到尺子的长度就为: 由伽利略变换有： 于是就有 即 l=l0 但由洛仑兹变换，有 两式相减就得