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§6.2 爱因斯坦相对论原理和光速不变 一.伽利略变换的困难 1) 电磁场方程组不服从伽利略变换 2) 光速c 2）光速c 变换无意义 速度有极限 实际信号传递速度都不可能超过光速 3） 4） 由洛伦兹变换看同时性的相对性 解题的一般思路 事件1 事件2 两事件同时发生 ？ 若 说明了同时性具有相对性 已知 用各种企图保持绝对参考系的假说来解释该实验结果，均遭到失败。 迈克耳逊—莫雷实验没有观测到预期的条纹移动，称为零结果，说明光速不变。 迈克耳逊—莫雷（Michelson—Morleg）实验 以伽利略变换为基础来观测地球上各个方上光速的差异。由于地球自转，据伽利略变换，地球上各个方向上光速是不同的，在随地球公转的干涉仪中应可观测到条纹的移动。 地球就是“绝对静止”的参考系？ “还在学生时代，我就在想这个问题了。我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得出结论：如果我们承认麦克尔逊的零结果是事实，那么地球相对以太运动的想法就是错误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的想法。” 爱因斯坦对麦克尔逊－莫雷实验的评价： 爱因斯坦《论动体的电动力学》1905 （1）物理规律（包括力学规律）在一切惯性参考系中都具有相同的形式，即对物理规律来说，一切惯性系都是平等的。不存在任何一个特殊的惯性系，例如绝对静止的惯性系。 ——爱因斯坦相对性原理 （2）在任何惯性系中，光在真空中的速率都相等 —— 光速不变原理 二.爱因斯坦的狭义相对论基本假设 1） Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展 讨论 一切物理规律 力学规律 2）光速不变与伽利略变换 与伽利略的速度相加原理针锋相对 3）观念上的变革 牛顿力学 时间 长度 质量 速度与参考系有关 (相对性) 与参考系无关 狭义相对论力学 光速不变 (相对性) 长度 时间 质量 速度与参考系有关 2.同步钟 synchronized clocks 物理过程的时间间隔？ 在确定的参考系中存在一系列的同步钟 三.同时性的相对性 1.事件 时空坐标 事件：研究的物理现象 时空坐标：确定事件位置的坐标 空间 时间 t是坐标 x,y,z 处的时钟测出的 当地钟测当地时 时空坐标 3.同时性的相对性 --- 光速不变原理的直接结果 以爱因斯坦火车为例 Einstein train 说明 同步钟 Einstein train 地面参考系 在火车上 分别放置信号接收器 中点 放置光信号发生器 实验装置 研究的问题 两事件发生的时间间隔 某时M发一光信号 事件1 接收到闪光 事件2 接收到闪光 M发出的闪光 光速为 A B同时接收到光信号 ？ ？ 事件1、事件2 同时发生 事件1、事件2 不同时发生 事件1先发生 处闪光 光速也为 S系中的观察者又如何看呢？ 1） 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果 2）相对效应 A B随 S运动 A迎着光，比B 早接收到光 讨论 事件1、事件2 不同时发生 事件2 先发生 3）当速度远远小于 c 时， 两个惯性系得到相同结果 相对效应 如果装置固定在S系中 事件1 A接收到信号 事件2 B接收到信号 S系中：两事件同时发生 但，S系认为： u 4） 沿垂直于相对运动方向发生的两件事的同时 二. 时间延缓（时间膨胀） 讨论一个匀速运动的钟和一系列“静止”的 u 在 S 和 中两束相遇的光走的路程都分别是相同的。 性并不具有相对性。 同步的钟的比较。 u 发出时刻 接收时刻 u u u 发光 光到 (1) S ： 光速不变： (2) 由(1)、(2)解得： ? t? — 原时（proper time） 原时：同一地点两事件的时间间隔 ∴ 原时最短 。 一个运动的钟C? 和一系列静止的钟C1、C2… 一个运动时钟的“1秒”比一系列静止时钟的 时间延缓完全是一种相对效应。 比较，运动的钟C? 变慢了。 “1秒”长，这称为运动时钟的“时间延缓”。 运动寿命： u = 0.99 c 时， 测得径迹长为 l = 53 m。 一致 应该注意，与钟一起运动的观测者是感受不 当 u c 时?t? = ?t ，这就回到绝对时间了。 对论效应， 在任何惯性系中的1秒钟都是这样定义的。 但是 在不同惯性系中，观察同一个135Cs原子发的特征 到钟变慢的效应的。 1秒钟 定义为相对于参考系静止的 135Cs原子 运动时钟变慢纯粹是一种相 频率光波的周期是不同的。 并非运动使钟的结构发生什么改变。 发出的一个特征频率光波周期的9192631770倍。 【例】孪生子佯谬和孪生子效