狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式.ppt

第十五章 狭义相对论 15-2 狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换式 一、历史背景 由麦克斯韦电磁场理论所给出真空中的光速 由于ε0，μ0　与参考系无关，因此 c 也应该与参考系无关。即在任何参考系中测得的光在真空中的速率都应是一样的。（与伽利略变换矛盾） 19世纪末电磁学有了很大发展，1865年麦克斯韦(Maxwell)总结出电磁场方程组；预言了电磁波的存在，并指出其速率各向均为c (真空中)； 1888年赫兹(Hertz) 在实验上证实了电磁波的存在。 这显然和伽利略变换矛盾，按伽利略变换，光速在一个参考系中若是c，在另一参考系中必不是c。 　若有一运动参考系，它相对绝对参考系以速度　运动，那么，由牛顿力学的相对性原理，光在运动参考系中的速度应为 光在绝对参考系中的速度 光在运动参考系中的速度 　从上式可以看出，在运动参考系中，光的速度在各方向是不相同的。 球投出前 结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球. 如果光速不变，根据伽利略变换，计算下例中球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者的时间. 球投出后 提出问题： 但是按伽利略变换，电磁波相对于其他参考系 （如地球）速率就不会各向均匀，而和此参考系相对于“以太”的速度有关。 　若此，如在地球上测光速，可能 c或 c. 电磁场方程组在哪个参考系成立呢? 为了不和伽利略变换矛盾，人们假设：宇宙中充满了叫“以太(ether)”的物质，电磁波靠“以太”传播。 把“以太”选作绝对静止的参考系； 电磁场方程组只在“以太”参考系中成立； 电磁波在“以太”参考系中速率各向为c。 　如果能借助某种方法测出运动参考系相对于以太的速度，那么，作为绝对参考系也就被确定了。为此，历史上曾有许多物理学家做过很多实验来寻找绝对参考系，但都得出了否定的结果。 　　其中最著名的是美国物理学家迈克尔孙和莫雷发明了“迈克尔孙干涉仪”，想测量沿地球运动方向的光速与垂直地球运动方向的光速之间的微小差别，来验证“以太”的存在（见马文蔚《物理学》第四版下册）。 　　迈克尔孙等人在不同的地理条件、不同的季节条件下，进行了多次实验，结果得到的是“零结果”。 　　后来又在德国、美国、瑞士多次重复该实验，得到的结果仍然相同的。 　　尽管迈克尔孙因此获得了诺贝尔奖，但是，他一直在检查自己的实验什么地方有疏忽，70高龄时仍在做这方面的工作。直到他生命的最后时刻，他也没明白为什么没测出光速的差值。 实验结论： ①.以太不存在，光的传播不需任何媒质，可在真空中传播，以太不能作绝对参照系。 ②.地球上各方向光速相同，与地球运动状态无关。 　　迈克尔孙－莫雷实验结果给人们带来了困惑，似乎相对性原理只适用于牛顿定律，而不能用于麦克斯韦的电磁理论。 困惑：是伽利略变换仍是正确的，而电磁现象的基本规律不符合相对性原理呢？还是已发现的电磁现象的基本规律是符合相对性原理的，而伽利略变换（绝对时空观）应该修正呢？ 　　解决这一难题必须变革物理观念。 　　爱因斯坦(Einstein)深入分析了此问题，于1905年发表了《论动体的电动力学》，认为： 物质世界的规律应该是统一的、和谐的，麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立， 在任何惯性系中光速都是各向为c。 1）相对性原理：物理规律对所有的惯性系都是一样的，具有相同的表达形式 . 　　这是牛顿相对性原理的推广，使相对性原理适用于所有物理现象，包括电磁现象。 二、爱因斯坦的狭义相对论基本假设 这说明： 一切物理规律(力、热 、光 、电 、…) 对任何惯性系都有相同的形式； 一切惯性系都是等价(平权)的； 任何物理实验都不能确定本参考系的速度。 　绝对运动或绝对静止概念，从整个物理学中排除了. 1）相对性原理：物理规律对所有的惯性系都是一样的，具有相同的表达形式 . 二、爱因斯坦的狭义相对论基本假设 2）光速不变原理： 任何惯性系中，光在真空中的速率都相等（常量）。它与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择. 　　这样，就必然抛弃了伽里略变换—抛弃了绝对时空观。 爱因斯坦的哲学观念：自然界应当是和谐而简单的. 理论特色：出于简单而归于深奥. Albert Einstein ( 1879 – 1955 ) 20世纪最伟大的物理学家, 于1905年和1915年先后创立了狭义相对论和广义相对论, 他于1905年提出了光量子假设, 为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子理论方面具有很多的重要的贡献 . 　　阿尔伯特．爱因斯坦（Albert．Einstein）1879年3月14日出生在德国西南距离慕尼黑八十五哩的乌耳姆城。父母都是犹太人