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狭义相对论 和 现代时空观 爱 因 斯 坦 塑 像 1979年美国弗罗里达州迈阿密市Shenandoah中学的初中学生，为纪念爱因斯坦100岁诞辰， 在草地上组成他著名的公式 E=mc2 事物的相对性 认识的相对性 贾宝玉见林黛玉整天 悲悲戚戚，自己也很苦 恼，想了许多时候，一 天忽然悟出“禅机” （即 哲理）： 无我原非（你）， 从他（她）不解伊。 英文可译成为： ? You won’t be you if I wasn’t born. One can’t understand her from her alone.? ─《红楼梦》第22回─ 我们看到的现 象和对事物的描 述，随观测的角 度而异。 现代物理学不是被动地 去协调不同参考系中的观测 数据，而是自觉地去探索不 同参考系中物理量、物理规 律之间的变换关系（相对性 原理）以及变换中的不变量 （对称性）； 建立新理论的前提 1.理论本身要自洽。 2.要有实验或事实支持。 3.要与旧理论的极限一致。 4.要能预言或解释新实验 或新进展。 爱因斯坦的见解： 相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的严重和深刻的矛盾已经无法避免了。 新理论的力量在于：仅用几个令人非常信服的假定就一致而简单地解决了所有这些困难……旧力学只对低的速度成立，从而成为新力学的极限情形。爱因斯坦和英费尔德:《物理学的进化》 经典时空观的特征 牛顿在《自然哲学之数 学原理》中建立了一个完 备自洽的物理学体系，他 认为存在互相独立的绝对 空间和绝对时间。 牛顿力学适用于宏观物 体、低速运动、弱引力场 中。且其定律在惯性系之 间服从伽俐略变换。另外 ，牛顿力学还认为物体之 间存在“超距作用”。 加利略变换 经典时空观的困难 出现在高速运动物体的动力学中； 出现在电磁现象的研究中； 出现在速度合成特别是光速的叠加中。 在不同的速度下使质子得到1016米/秒2加速度所需的电场强度 从表中可以看到，电场强 度的数值仅当 时，才保 持大致不变。当质子的速度较 大时，所需施加的电场必须越 强。即牛顿第二定律在高速运 动下不再成立，伽里略变换也 就成了问题。 可见在 高速运动中 伽里略变换 不适用 两点电荷的相互作用 设有两点电荷q1、 q2相对于参考系S’静 止，则在S’静系观测 ， q2只受到q1的库仑 力作用。 若S’相对于S 以匀速u作 惯性运动，如果电磁场的基 本定律在S系仍然成立；则q1 是运动电荷，在其周产生磁 场，因此作用在运动电荷q2 上除库仑力外还有磁力（洛 仑兹力）。 可见加利略变换 不适用于 电磁定律 超新星爆发程中光线传播的疑问 蟹 状 星 云 加利略速度合成公式适用吗？ 遗骸为蟹状星云的超新 星于1054年爆发直至1056 年星光消失,历时21个月. 若按加利略速度合成公 式，沿视线方向(纵向)光 的传播速度为c+v，垂直 视线方向(横向)光的传播 速度为 c ；其中v为发光 碎片的膨胀速度。 已知蟹状星云至地球的 距离l=5kly，星云的膨胀 速度为 v=1500km/s ；由 此可算出纵向和横向的光 传到地球的时差为： t2 - t1= l/ c - l/(c+v) =25年。 换句话说，地球上 看到超新星的发光， 应持续25年，但实际 上只有21个月。 由此可见 在高速运动中 伽里略速度合成 公式不适用 爱因斯坦的考虑 爱因斯坦仔细考虑了麦克斯 韦电磁理论与伽利略变换的矛 盾后,认为下面三者存在矛盾： 1. 麦克斯韦电磁理论； 2. 相对性原理； 3. 伽利略变换。 爱因斯坦勇敢地抛弃 了伽利略变换，从推广 了的相对性原理和光速 不变原理，独立导出了 爱因斯坦相对性原理的 变换公式。 爱 因 斯 坦 的 假 设 1)相对性原理 爱因斯坦的相对性原理 与伽利略的思想基本上一致， 所有惯性系都是平权的， 在它们之中所有的物理规 律都一样。 (2)光速不变原理 在所有的惯性系中测量到的 真空光速 c 都是一样的。 爱因斯坦提出这个假设是非 常大胆的。下面我们即将看到 ，这个假设非同小可，一系列 违反常识的结论就此产生了。 狭义相对论时空观 *同时的相对性 *爱因斯坦延缓 *长度的相对性 *洛伦兹变换公式 *相对论速度合成定理 “同时”的相对性为此，爱因斯坦提出一个理想实验 谁先开枪？ 目击者在法庭上将提供相反的证词 事件之间的因果关系不会混淆！ 爱