第六章狭义相对论specialtheoryofrelativity.ppt

第六章 狭义相对论 Special Theory of Relativity “If relativity is proved right the Germans will call me a German，the Swiss will call me a Swiss citizen，and the French will call me a great scientist. If relativity is proved wrong the French will call me a Swiss，the Swiss will call me a German，and the Germans and the will call me a Jew.” —Albert · Einstein 前几章中，我们讨论了经典电动力学的基本理论和有关规律，但是讨论的范围限于“静止”介质中的电磁场。本章将着重讨论动体的电动力学，即研究时空理论，阐述狭义相对论的实验基础、基本原理、数学工具和相对论电动力学。 本章将着解决电动力学中的几个问题：第一,麦克斯韦方程组究竟对于哪一个参考系是正确的？第二，从一个参考系变换到另一个参考系时，基本规律的形式如何改变？第三，基本物理量如何变换？ 本 章 内 容 狭义相对论的实验基础 狭义相对论的基本原理 闵可夫斯基空间和洛仑兹变换 相对论的时空性质 相对论力学 电磁规律的相对性理论 §6.1 狭义相对论的实验基础 Experiment Foundations of the Special Theory of Relativity 1、经典力学的相对性原理 大家知道，自由粒子在其中作匀速运动的坐标系称为惯性系。经典力学中的一个基本原理也就是伽利略相对性原理 , 它表示：运动定律从一个惯性系变换到另一个惯性系时，运动定律的形式保持不变。也就是说，一切作机械运动的惯性系是等价的。 在牛顿力学中，认为空间距离和时间间隔是绝对的,与参考系无关。这种认为也称绝对时空观。 为了精确地研究物质在空间和时间中的运动过程，我们从物质运动中抽象出“事件”的概念。在无限小的空间元中无限短瞬间内发生的物质运 动过程叫做一个事件。物质运动可看作是一连串事件在时空中的发展过程，在一个参考系中，总是用一定的时间t 和空间(x,y,z)来描述一个事件。 在牛顿绝对时空观中要求： a) 时间是绝对的 两个事件在 系中的时间间隔 和在∑系（ 相对于∑的运动速度为 ）中的时间间隔 相同，即 如果两事件在∑系中是同时的（ ），则 系中也是同时的（ ），同时性是绝对的。 这就是说，假设宇宙中各处存在着一个跟参考系的选择无关的、不受物质运动过程影响的、统一的普适时间，时间与空间没有任何联系；不论有无任何其他客体，绝对的、真实的时间本身，永远无条件的、均匀地流逝着。 b) 长度是绝对的 在给定时刻，两个质点∑系中的距离和它在 系中的距离相同，即 这就是说，假设长度（或两个同时事件之间的距离）与参考系选择无关；物质的广延性不受其运动状态的影响。 2、伽利略变换 如果两个惯性系 和∑的坐标轴彼此平行，在 时，两坐标系的原点重合，并且 系相对于∑系的 沿x轴方向运动。 设在P点站着一人，按了一个闪光灯，在∑系中观察者看来，按灯的这个现象发生于t 时刻、（x,y,z）点；在 系中观察者看来，按灯这个现象发生于t’ 时刻、（x’,y’,z’）点；这两组数（x,y,z,t）与（x’,y’,z’,t’）之间的关系是与时空观有关的。 根据经典时空观，得到 写成矢量形式为： 这就是伽利略变换，它集中地反映了牛顿的绝对时空观。 根据伽利略变换，可得事件的速度变换： 即 在牛顿力学中，认为物体的质量和它的速度无关，于是可得： 即 这说明牛顿力学中的运动方程在伽利略变换下基本方程保持形式不变。 3、迈克尔逊—莫雷（Michelson-Morley)实验 由于在伽利略变换下，Maxwell’s equations不能保持其形式不变，这是因为从Maxwell’s equations得到电磁波在真空中的传播速度为c的结论。如果Maxwell’s equations在伽利略变换下保持不变，则