5-2狭义相对论地基本原理 洛伦兹坐标变换 - 副本.pptVIP

但实际上，电磁学在解释光的传播性上远不完美 按照麦克斯韦理论，真空中电磁波的速度（光速）应该是一个恒量 ： 19世纪，随着麦克斯韦通过对电磁现象的研究，建立了电磁学，并将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁波，从而确立了波动说的地位. 电磁学与经典力学的结合使得物理学显示出一种形式上的完整，从而使经典物理学产生了一种美的境界。 背景： 电磁学对光速的解释与经典力学在相对性原理上相互之间产生了巨大的矛盾.即: 伽利略变换：以u 速度运动光源发出的光速不再是 c 。 19世纪成熟的电磁理论表明真空中光速c 是常量。 一个拟定的解决办法: 假设光波在某种介质 “以太”中传播 以太是类比思维的结果，机械波的传播依赖于介质，所以光的传播也需要一种弹性介质，它充满整个空间，即使真空也不例外，并且可以渗透到一切物质中。 认为Maxwell Equations 只在静止的以太参考系中正确,光速C是在静止的以太参考系中的速率. 其他参考系中光速C遵从速度合成公式 按照这个设想,以太惯性系是一种优越的惯性系,与众不同: 以太惯性系绝对静止. 只有以太惯性系才能维持光速恒定,在别的惯性系光速都将遵从伽俐略速度合成法则.即在运动参考系中光速在各个方向不同. 以太应该是充满整个宇宙空间 应具有固体的性质且弹性系数很大 密度为零 它还必须是完全透明的 不与任何物质发生相互作用 …… 为了使以太的观点能符合实验规律，人们给以太贯上了很多奇异的性质： 迈克尔逊－莫雷实验(1887) 迈克尔逊为证明以太的存在，设计了测量地球在以太中运动速度的实验。 实验目的：寻找绝对参照系－以太参照系 指导思想及实验方法： 承认以太参照系存在； 初步近似：太阳参照系－以太参照系； 速度变换满足伽利略变换； 计算结果： M2 M1 M2 G2 G1 单 色 光 源 反射镜1 反射镜 2 补偿玻璃板 半透明镀银层 1 2 以太风 如果成功,则可以说明: 绝对静止的以太参考系和对以太的绝对运动是确实存在的. 可以利用光学实验测出惯性系的绝对运动速度u 一切惯性系等价的相对性原理对光学不成立.(只有以太惯性系才能维持光速恒定,在别的惯性系光速都将遵从伽俐略速度合成法则.) 结果： 迈克尔逊－莫雷实验的零结果， 使同时代的科学家目瞪口呆，震惊不已。 物理学晴朗的天空中漂来了一朵乌云！ （1987年还有人做，精度提高了50倍） 实验的意义： 否定了以太参照系的存在，暗示电磁学规律对不同参照系有相同形式； 否定了经典速度变换法则，揭示光速不变。 所有惯性系中真空中光速各向同性— c 物理学天空的乌云! “我尊敬的迈克尔孙博士，您开始工作时，我还是个孩子，只有1米高，正是您将物理学家引向新的道路，通过您精湛的实验工作，铺平了相对论发展的道路，您揭示了光以太的隐患，激发了洛仑兹和菲兹杰诺的思想，狭义相对论正是由此发展而来的。没有您的工作，相对论今天顶多也只是一个有趣的猜想，您的验证使之得到最初的实验基础。” 爱因斯坦1931年会见迈克尔逊 “我的实验竟然对相对论这个怪物的诞生起了作用，我对此感到十分遗憾。” （1931年迈克尔孙、爱因斯坦、密立根在一起。） 1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。 爱因斯坦提出： （1）一切物理规律在任何惯性系中形式相同 —— 相对性原理 （2）光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 —— 光速不变原理 1) 爱因斯坦的理论是牛顿理论的发展 爱因斯坦相对论适用于一切物理规律。 牛顿理论适用于力学规律。 狭义相对论的基本原理 注意： 2) 光速不变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 均与参考系无关 狭义相对论力学 长度、时间测量的相对性 （与参照系有关） 光速不变 速度与参考系有关(相对性) 时间标度 长度标度 质量的测量 爱因斯坦的选择来自坚定的信念： 自然的设计是对称的，不仅力学规律在所有的惯性系中有相同的数学形式，所有的物理规律都应与惯性系的选择无关。 实验结果说明，在所有惯性系中，真空中的光速恒为c ，伽利略变换以及导致伽利略变换的牛顿绝对时空观有问题，必须寻找新的变换，建立新的时空观。 “爱因斯坦把方法倒了过来，他不是从已知的方程组出发去证明协变性是存在的，而是把协变性应当存在这一点作为假设提出来，并且用它演绎出方程组应有的形式。” — 洛仑兹（荷兰.1853－1928） 二、 洛伦兹变换 u