6-3-狭义相对论的基本原理-洛伦兹变换.pptVIP

* 第7章 相对论 6.3 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换 * 6.3 狭义相对论的基本原理 洛仑兹变换 　　伽利略变换与电磁理论是互不相容的。“为什么看起来如此正确的两件事却互不相容呢？”爱因斯坦曾经苦苦地思索。 伽利略变换和电磁规律的矛盾引导人们去思考： 　　是伽利略变换正确而电磁现象的基本规律 不符合相对性原理呢？ 　　还是电磁现象的基本规律符合相对性原理 而伽利略变换应该修正呢？ 解决伽利略变换与光速不变结论的可能方案： 方案一：坚持伽利略变换、麦克斯韦理论（光速不变），否定力学的相对性原理 理由：伽利略变换是牛顿力学的必然要求，而牛顿力学、麦克斯韦理论是经过大量事实检验并且是正确的。 后果：必须否定力学的相对性原理。也就是说，物理规律在不同惯性系下应当具有不同的物理形式。 方案二：坚持力学的相对性原理和光速不变的实验事实，进而否定麦克斯韦理论遵从伽利略变换。 理由：光速不变是实验事实，不容否定。 　 力学的相对性原理是一种自然观，与其否定一种科学观念不如否定一种特定的变换——伽利略变换。因为所有证明伽利略变换的科学事实都来自于宏观、低速物体的运动；而电磁场是一种高速运动，没有理由断言适合于低速物体运动的变换一定对高速运动的物体同样适用！ 后果：伽利略变换代表牛顿力学的时空观，否定它必然否定牛顿力学的时空观。 爱因斯坦摆脱了经典时空观的束缚，坚信相对性原理是正确的。同时他认为 Maxwell 方程组对所有惯性系都适用。于是，这就必须承认光速的不变性；这样一来，自然就要求修正牛顿定律及其相应的绝对时空观。 1905年爱因斯坦在德国《物理年鉴》上发表了“论运动物体的电动力学”，从全新的角度提出两条基本假设，创立了狭义相对论。 ◆　爱因斯坦的观点： 相信自然界有其内在的和谐规律。 （必定存在和谐的力学和电磁学规律。） 相信自然界存在普遍性的相对性原理。 （必定存在更普遍的相对性原理，对和谐的力学和电磁学规律都适用。） 相信复杂多变的自然界，存在某种重要的不变性。 一　狭义相对论的基本原理 1）爱因斯坦相对性原理：一切物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式。 2）光速不变原理：在所有的惯性系中，真空中的光速是常量，与光源或观察者的运动无关。 关键概念：相对性和不变性。 相对性原理是自然界的普遍规律。 所有的惯性参考系对物理规律等价。 伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符。 长度的测量是和同时性概念密切相关。 和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察，并不一定是同时发生的。 说明同时具有相对性，时间的量度是相对的。 它表明不论在哪个惯性系中做物理实验（不仅仅是力学实验），都不能确定该惯性系是静止的、还是在作匀速直线运动。即对运动的描述只有相对意义，绝对静止的参考系是不存在的。 1）第一条原理是对力学相对性原理的推广。否定了绝对静止参照系的存在。 明确几点： 2）第二条原理实际上是对实验结果的总结。 它表明：在任何惯性系中测得的真空中的光速都相等。说明光速与观察者及光源的运动状态无关。 3）爱因斯坦理论带来了观念上的变革。 我们不应当以适用于低速情况的伽利略变换为根据去讨论光速应该如何如何，而应当反过来，用光速不变这个实验提供的事实作为前提和基础，去讨论正确的时空变换。 牛顿力学： 狭义相对论： 时间、长度、质量的测量，均与参照系有关。 时间、长度、质量的测量，均与参照系无关。 满足狭义相对论基本原理的变换就是洛仑兹变换： ★ 意义： 1）承认相对性原理，必须否定绝对静止参照系。 2）承认光速不变原理，必须否定伽利略变换， 否定绝对时空观。 物理定律通过这种变换应做到： （1）都应该保持自己的数学表达形式不变； （2）真空中光的速率在一切惯性系中保持不变； （3）即在低速情况下可以转化为伽利略变换。 二　洛伦兹变换 * 　 设有两个惯性系 S 系和 S’ 系，各坐标轴相互平行。 S’ 系相对S系以 u的速度沿 ox 轴运动。 设 ： 时， 重合。 事件 P 的时空坐标为： 　　寻找对同一客观事件 P，在两个惯性系中相应的时空坐标值之间的关系。 相对论因子： 　　由光速不变原理和狭义相对性原理，可得到洛仑兹坐标变换： z z = * 正变换 S→S’ 逆变换 S’→S 洛伦兹变换： 几点说明： 3）在洛仑兹变换中，时间、空间都是 u 的函数，说明时间与空间的测量都与参照系有关。这种新的时空观叫做狭义相