电动力学课件-狭义相对论.pptVIP

爱因斯坦的1915年 1915年11月25日的论文《引力的场方程》中，他放弃了对变换群的不必要限制，建立了真正普遍协变的引力场方程，宣告广义相对论诞生了。1916年6月，爱因斯坦在研究引力场方程的近似积分时，发现一个力学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波，从而提出引力波理论。1979年，在爱因斯坦逝世24年后，间接证明了引力波存在。 爱因斯坦的1915年 1917年，爱因斯坦用广义相对论的结果来研究宇宙的时空结构，发表了开创性的论文《根据广义相对论对宇宙所做的考察》。论文分析了“宇宙在空间上是无限的”这一传统观念，指出它同牛顿引力理论和广义相对论都是不协调的。他认为，可能的出路是：把宇宙看作是一个具有有限空间体积的自身闭合的连续区，以科学论据推论宇宙在空间上是有限无边的。 爱因斯坦的1915年 他所作的光线经过太阳引力场要弯曲的预言，于1919年由英国天文学家A.S.爱丁顿等人的日全食观测结果所证实，全世界为之轰动，爱因斯坦和相对论在西方成了家喻户晓的名词。 广义相对论建成后，爱因斯坦依然感到不满足，要把广义相对论再加以推广，使它不仅包括引力场，也包括电磁场。他认为这是相对论发展的第三个阶段——统一场论。1925年以后，爱因斯坦全力以赴去探索统一场论。1937年，在两个助手合作下，他从广义相对论的引力场方程推导出运动方程，进一步揭示了空间-时间、物质、运动之间的统一性，这是广义相对论的重大发展，也是爱因斯坦在科学创造活动中所取得的最后一个重大成果。 * 相对论的基本原理 在总结新的实验事实之后，爱因斯坦（Einstein）提出了两条相对论的基本假设： （1）相对性原理 所有惯性参考系都是等价的。物理规律对于所有惯性参考系都可以表为相同的形式。也就是不论通过力学现象，还是电磁现象，或其他现象，都无法觉察出所处参考系的任何“绝对运动”。相对论原理是被大量事实所精确检验过的物理学基本原理。 （2）光速不变原理 真空中的光速相对于任何惯性系沿任意方向恒为c，并与光源运动无关。 * 相对论的基本原理 伽利略（Galileo）变换 相对论的基本假设是和旧时空概念矛盾的。旧时空概念是从低速力学现象抽象出来的，集中反映在关于惯性坐标系的伽利略（Galileo）变换中。是惯性系Σ相对于Σ以速度υ运动，并选x和x轴沿运动方向，伽利略变化式为 * 相对论的基本原理 电磁现象与经典力学原理的矛盾 如果把伽利略（Galileo）变换应用于描述电磁现象的真空中电磁场的达朗贝尔方程， * 相对论的基本原理 电磁现象与经典力学原理的矛盾 真空中电磁场的达朗贝尔方程变化为： 可见，伽利略变换下，波动方程不是不变的。 经典力学的相对性原理不能成立。 * 相对论的基本原理 解决这一矛盾的三种可能选择 第一种可能选择是伽利略变换对经典力学、电动力学都适用，而且电动力学规律也满足相对性原理，产生矛盾是因为麦克斯韦方程组不正确，因此解决麦顿的方法只能修改麦克斯韦方程组，使其在伽利略变换下其规律形式不变。由于当时麦克斯韦电磁理论获得惊人的成功，如认为麦克斯韦方程组不正确是难以令人信服的，因此这种选择几乎没人赞成。 * 相对论的基本原理 第二种可能选择仍然是伽利略变换对经典力学、电动力学都适用，而且麦克斯韦方程组也是正确的，但相对性原理只适用于经典力学，而对电动力学不适用。因此对于电动力学规律（即麦克斯韦方程组）只能在一个特殊的，绝对的参考系中成立。在19世纪，当人们深入研究电磁现象时，为了把它纳入统一的力学体系中，曾发展了“光以太”假说，即光和电磁波也需要通过一种媒质而传播。这种媒质充满整个空间，它的密度及其与物质的相互作用都可以忽略，它只能在其本身所处的位置附近作微小振动，因而可以认为它是静止的。 * 相对论的基本原理 解决这一矛盾的三种可能选择 第三种选择，就是后来爱因斯坦的主张，即不存在绝对的参考系，经典力学、电动力学都必须满足相对性原理，只是伽利略变换不正确，这就是说必须修改经典力学规律。 * 相对论的基本原理 在肯定电磁现象是完全符合相对性原理的前提下，出路就只有两条，或者是麦克斯韦-洛伦茨理论需要修改，或者是速度和力的变换公式这一类基本关系式有问题。 速度和力的变换公式都于我们的时空概念有着密切的联系，特别是速度变换公式，可以说是完全建立在时空概念的基础上，如果不对时空概念进行根本性的修改，要修改速度变换公式是不可能的。 经过一定的分析以后，“特殊相对论”选择了第二条道路，即认为旧的时空理论只能看作是低速、小范围情况下的近似结果，不能推广到高速或较大范围的情况，如果不把“同时性”“长度”“时间间隔”等概念加以绝对化，那么修改速度变换公式是可能的。 而根据新的实验结论修改后的时空理论可以使所有矛盾获得解决