第八相对论的建立.pptVIP

山东师大物理与电子科学学院 相对论的建立 山东师范大学物理与电子科学学院 第八章 相对论的建立 §1.相对论先驱者的思想 §2.爱因斯坦的狭义相对论 §3.广义相对论的建立 一.洛仑兹的收缩假说 迈克尔逊—莫雷实验的“零结果”在最初人们并没有因此否定静止以太的存在，反而认为是实验可能失败了。或力图对实验结果作出种种解释。其中最具代表性的理论假说是荷兰物理学家洛仑兹的收缩假说。 1892年11月洛仑兹发表了《论地球对以太的相对运动》，用长度收缩假说解释了迈克尔逊—莫雷实验。他认为运动物体在其运动方向上的收缩，抵消了地球在以太中运行所造成的光程差，所以观察不到预期的条纹移动。 1895年洛仑兹给出了更精确的长度收缩系数为 3. 一级近似的解释及地方时： 洛仑兹的上述收缩假说只涉及到v2/c2的这种二级近似。1895年，洛仑兹发表了《运动物体中电磁现象和光现象的理论研究》，提出了地方时概念，他对麦克斯韦方程组施加了一种变换。其中时间t变为“当地时间” t′=t–(v/c2)x，电场E变换为E′=E+v×B/c，磁场B变换为B′=B-v×E/c，结果发现麦克斯韦电磁场方程组的形式不变。由此证明其收缩假说可以准确到v/c一阶范围。这样就解释了迈克尔逊—莫雷实验。 法国科学家彭加勒批评说：“如果为了解释迈克尔逊—莫雷实验的否定结果，需要引进新的假说，那么每当出现新的实验事实时，同样也发生这种需要。无疑的，对每一个新的实验结果创立一种假说这种做法是不自然的。”洛仑兹接受了这种批评，希望“能够利用某些基本假定，并且不用忽略这种数量级或那种数量级的量，来证明许多电磁作用都完全与系统的运动无关”。 ①洛仑兹的理论是以静止以太为出发点，在保持麦克斯韦方程不变的条件下创立起来的“构造性”理论；而爱因斯坦的狭义相对论是在相对性原理和光速不变原理的基础上创建的“原理性”理论。 ②洛仑兹认为长度收缩是真实的，是由分子运动引起的。爱因斯坦则认为这只是一种相对论效应。 ③洛仑兹认为地方时（在运动物体上测量的时间）只不过是一个数学假设，不具有真实的物理意义，而牛顿力学中的绝对时间才是唯一真实的时间。爱因斯坦认为不存在所谓的绝对时间，地方时才是唯一真实的时间。 ③1898年发表论文《时间的测量》，首次提出光速在真空中不变的公设，认为没有这一公设，就无法测量光速；在论文中还讨论了用交换光信号来确定异地同时性的实验方法。 ④1899年彭加勒就认为绝对运动是不存在的，只有相对运动才有意义。 ⑤1902年在出版的《科学与假设》中提出“相对运动原理”：“任何系统的运动应当遵守同样的定律，不管人们把它纳于固定的坐标轴或纳于作直线而匀速运动的坐标轴”。 ⑥彭加勒预感到物理学上将有重大突破，他说：“也许我们还要构造一种全新的力学，我们只不过是成功的瞥见了它，在这种力学中，惯性随着速度而增加，光速会变为不可逾越的极限。通常比较简单的力学可能依然是一级近似，因为它对不太大的速度还是正确的，以致于在新动力学中还可以找到旧动力学。” 在英费尔德(L.Infeld)的《相对论的发展史》中记录了一段他和爱因斯坦的一次谈话，英费尔德说“在我看来，即使您没有建立它，狭义相对论的出现也不会再等多久。因为彭加勒已经很接近构成狭义相对论的那些东西了。”爱因斯坦回答说：“是的，这说的对。” §2 爱因斯坦的狭义相对论 一 爱因斯坦生平 二 爱因斯坦狭义相对论的探索过程 三 意义 爱因斯坦发明的第一个高峰----1905 ①1905年3月，爱因斯坦完成论文《关于光的产生和转化的一个推测性观点》(德国《物理年报》)，把能量子概念推广到光在空间中的传播情况，提出光量子假说。认为：对于时间平均值，光表现为波动；而对于瞬时值，光则表现为粒子性。第一次揭示了微观客体波动性和粒子性的统一。 文章结尾，解释了光电效应，导出光电方程。10年后由密立根给予实验证实。1921年，爱因斯坦因为“光电效应定律的发现” 而获得诺贝尔物理学奖。 爱因斯坦发明的第二个高峰（1915----1917年）： 1925年以后，爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。 1925年～1955年这30年中，除了关于量子力学的完备性问题、引力波以及广义相对论的运动问题以外，爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都用于统一场论的探索。但在统一场理论方面，他始终没有成功。由于他远离了当时物理学研究的主流，独自去进攻当时没有条件解决的难题，因此同20年代的处境相反，他晚年在物理学界非常孤立。可是他依然无所畏惧，毫不动摇地走他自己所认定的道路，直到临终前一天，他还在病床上准备继续他的统一场理论的数学计算