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第八章 狭义相对论基础 二十世纪初，发生了三次概念上的革命， 它们深刻地改变了人们对物理世界的了 解，这就是狭义相对论（1905）、广义 相对论（1916）和量子力学（1925）。 狭义相对论 揭示了时间、空间和运动的关系。 广义相对论 揭示了时间、空间和引力的关系。 爱因斯坦 （1879 − 1955） Albert Einstein • 美籍德国人 • 1921年诺贝尔物理学 奖获得者 • 对光电效应的理论解释 和对理论物理学的贡献 两种时空观 ▲ 绝对时空观 时间、空间各自独立，是绝对的、“静止” 的“背景舞台”，事件在其中上演着。时空 的度量与事物运动（或参考系）无关，是 绝对的 — 与日常经验吻合。 ▲ 相对论时空观 时间、空间是统一体，与事物的运动密不 可分。时空度量与事物运动（或参考系） 有关，是相对的。 绝对时空观的困难 绝对时空观由伽利略变换体现。牛顿力学规 律满足伽利略变换，而麦克斯韦电磁学规律 不满足，具体表现在： ▲ 电磁学理论给出真空中的光速c 是常量。 这意味着光速与观察者或光源的运动无关， 或跟参考系无关，这与伽利略变换矛盾。 ▲ 电磁学方程组在伽利略变换下形式改变。 难道在不同的参考系，电磁学规律不同？ 历史上提出一些折中理论，主要目的仍是 维护伽利略变换，但不是理论本身有矛盾， 就是遭到实验的否定： ▲ 发射理论：光速要叠加光源的速度。 双星观测否定发射理论： u 1 c + u 地球 1 双 星 c −u 2 u 2 按照发射理论，双星发的光不会同时到达 地球，这样应观察到双星位置扭曲现象。 但实际上并没有观测到双星位置的扭曲。 60 年代的粒子物理实验也否定发射理论： 同步加速器产生速度为0.99975c 的π0 0 π → γ + γ 0 沿 π 运动方向测得的γ 速度，和用静止的 辐射源测得的γ 速度（光速 c ）极其一致！ 历史上大量的实验结果表明： 光速与光源的运动无关。 ▲ “ 以太”理论 历史上曾认为：光波在真空中传播需要载体 — “ 以太”，它在真空中绝对静止。 “ 以太”理论坚持伽利略变换，而认为电磁学 规律只是在以太、或相对以太静止的“绝对 静止”参考系中成立，这样： 光速不变只对以太或“绝对静止”参考系成立。 寻找以太和“绝对静止”参考系成为当务之急。 寻找以太和“绝对静止”参考系的实验原理： 以太静止，地球运动，则在地球上可观察 到以太相对地球的运动 — “ 以太风” 。 地球上顺着和逆着“ 以太风”方向光速不同： r u 地球公转 c + u L c – u A l l B