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1、19世纪末页，牛顿定律在各个领域里都取得了很大的成功：在机械运动方面不用说，在分子物理方面，成功地解释了温度、压强、气体的内能。在电磁学方面，建立了一个能推断一切电磁现象的 Maxwell方程。另外还找到了力、电、光、声-等都遵循的规律-能量转化与守恒定律。当时许多物理学家都沉醉于这些成绩和胜利之中。他们认为物理学已经发展到头了。,相对论背景,正于是1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到：,也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！,但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲
2、到：,热辐射实验,迈克尔逊- 莫雷实验,后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。,普朗克量子力学的诞生,相对论问世,经典力学,量子力学,相对论,微观领域,高速领域,2005 世界物理年 纪念爱因斯坦狭义相对论诞生100周年与爱因斯坦逝世50周年。 让物理走近大众，让世界拥抱物理,相对论有狭义相对论广义相对论之分：,狭义相对论,仅限于惯性参照系，特别对微观高速运动的粒子,（1）狭义相对论的两个基本原理,（2）有关时空结构和物质、运动联系的一个时空观,广义相对论的三个著名预言： 1、光束弯曲 2、引力红移 3、水星近日点的进动 它们已在不同精度上
3、得到了证实，因而可以说是“广义相对论的三大实验验证”。 爱因斯坦建立广义相对论后的五十年间，基本上只有这“三大验证”。直到六十年代，美国物理学家夏皮罗等人才提出了“第四验证”雷达回波的时间延迟。,广义相对论作为一种引力理论，尽管在理论上还存在不少问题，但比起其它引力理论来，在解释目前为数不多的实验上，仍然占着领先的地位。它的观点和方法，在整个二十世纪理论物理中不仅是一项非常重大的收获，而且对物理学和有关数学分支的发展产生了十分深刻的影响。,相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别很大，很难被普通人所理解。,自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中， 上帝说：“让牛顿去吧，”于是一切都成为光明。,后人续
4、写道: 上帝说完多少年之后，魔鬼说：“让爱因斯坦去吧，” 于是一切又回到黑暗中。,爱因斯坦: Einstein,牛顿: Newton,经典力学的相对性原理,相对性原理,(对于不同的惯性系，对于运动的描述是相对的，但是力学的基本定律-牛顿定律，其形式都是一样的。）,物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊的（例如“绝对静止”的）惯性系。,长度的量度与参考系无关,时间的量度与参考系无关,空间和时间彼此独立,空间和时间是紧密相联的,长度的量度与参考系有关,时间的量度与参考系有关.,绝对时空观,现代时空观,伽利略坐标变换,与 重合,经典力学认为：1）时间的量度是绝对的，与参考系无关；2）空间
5、的量度也是绝对的，与参考系无关 .,*,伽利略变换,一切惯性系都是等价的,经典力学的相对性原理,伽利略变换的困难,伽利略变换:,麦克斯韦电磁场理论:,利用伽利略变换对电磁现象的基本规律进行变换，发现这些规律对不同的惯性系不具有相同的形式。,（3）力学满足相对性原理只是偶然，相对性原理不是普遍原理，电磁学理论只在特殊的惯性系中成立。,解决矛盾的可能方案：,经典力学的相对性原理与麦氏电磁理论的矛盾,（1）电磁学理论需要修正。,（2）伽利略变换和牛顿力学的时空观有问题。,1.相对性原理 物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊的（例如“绝对静止”的）惯性系。 2.光速不变原理 在一切惯性系
6、中，光在真空中的速率恒为c ，与光源的运动状态无关。,爱因斯坦相对性原理、光速不变,一、 狭义相对论的两条基本原理,洛伦兹坐标变换,与 重合,伽利略变换,正变换,洛仑兹变换式,对于洛仑兹变换的说明：,1、在狭义相对论中，洛仑兹变换占据中心地位；,2、洛仑兹变换是同一事件在不同惯性系中两组时空坐标之间的变换方程；,3、各个惯性系中的时间、空间量度的基准必须一致；,4、相对论将时间和空间，及它们与物质的运动不可分割地联系起来了。,5、洛仑兹变换与伽利略变换本质不同，但是在低速和宏观世界范围内洛仑兹变换可以还原为伽利略变换。,洛仑兹变换中蕴含的 狭义相对论的时空观,1.同时的相对性 2.时间度量的相
7、对性 3.空间度量的相对性,相对论效应,同时的相对性和时间延缓,一、同时的相对性,事件 1 ：车厢后壁接收器接收到光信号. 事件 2 ：车厢前壁接收器接收到光信号.,沿两个惯性系相对运动方向发生的两个事件，在其中一个惯性系中表现为同时的， 在另一惯性系中观察则不同时。,结论 ：,同时的相对性,用洛伦兹变换式证明同时性的相对性。,得证：一惯性系中的不同地点的同时事件，在另一惯性系中观测结果不同时。,同时的相对性,在一个惯性系中不同地点同时发生的两个事件在其他惯性系中不再是同时事件。,只有在一个惯性系中同时同地发生的两个事件，在另一个参考系中才是同时同地发生的。,K系中发生的两个事件 和 。若K系
8、以高 速u相对k系沿x轴方向运动，k系测得这两个事件必 定是（ ）。,A. 同时事件,B.不同地点发生的同时事件,C.即非同时，也非同地,D.无法确定,时序与因果律,在S中：,在S中：是否能发生先鸟死，后开枪？,在S中：先开枪，后鸟死,子弹速度,信号传递速度,所以由因果律联系的两事件的时序不会颠倒。,在S系中：仍然是开枪在前，鸟死在后。,分析：,运 动 的 钟 走 得 慢,二、时间延缓,在 S 系中观测两事件,时间间隔,时间间隔,在 S 系,同一地点发生的两事件的时间间隔 .,固有时间,固有时间,相对于所研究的参考系是静止的钟测得的两事件的时间间隔；,3） 时， .,2）时间延缓是一种相对效应
9、 .,1）时间的流逝不是绝对的，运动将改变时间的进程.,相对论效应：运动的钟走得慢 时间延缓,固有时最短,例 一飞船以u=9103m/s的速率相对与地面匀速飞行。飞船上的钟走了5s,地面上的钟经过了多少时间？,解：,飞船的时间膨胀效应实际上很难测出,例 带正电的 介子是一种不稳定的粒子。当它静止时，平均寿命为 ，过后即发生衰变。今产生一束 介子，在实验室测得它的速率为u0.99c，并测得它在衰变前通过的平均距离为52m。这些测量结果是否一致？,固有时,通过的平均距离：,与实验结果很好的符合！,某种介质静止时的寿命是 ，如它以速度 的速度运动，它能飞行的距离s为（ ）,长度测量的定义： 在某一参
10、考系中，测量物体的长度，就是要测量它的两端点在同一时刻的位置之间的距离。,同时的相对性,长度测量的相对性,三、长度收缩,长度收缩,当 时 .,长度收缩是一种相对效应, 此结果反之亦然 .,运动物体在运动方向上发生长度收缩 .,物理世界奇遇记,-城市速度极限,汤普金斯先生,街道缩短了,商店的橱窗变得像一条条狭缝 人行道上步行的人则变成他有生以来第一次见到的细高条,-相对性,例固有长度为5m的飞船以 的速率相对于地面匀速飞行时，从地面上测量，它的长度是多少？,固有长度,在S系中观察到在同一地点发生两个事件，第二事件发生在第一事件之后2s，在 系中观察到第二事件在第一事件后3s发生。求在 系中这两个
11、事件的空间距离。,练习： 天津和北京相距120km，在北京于某日上午 9时有一工厂因过载而断电，同日在天津于9时0分0.0003秒有一自行车与卡车相撞。试求在以 的速率沿北京到天津方向飞行的飞船中，观察到的这两个事件之间的时间间隔？,总结,1.相对性原理 物理规律对所有惯性系都是一样的，不存在任何一个特殊的（例如“绝对静止”的）惯性系。 2.光速不变原理 在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c ，与光源的运动状态无关。,两条基本假设（,爱因斯坦的狭义相对论基本原理),洛仑兹变换式,总结,位置坐标变换,狭义相对论时空观,2、相对于观测者运动的惯性系沿运动方向的长度对观测者来说收缩了。,1、相对于观测者运动的惯性系的时钟系统对观测者来说变慢了。,3、没有“绝对”的时间、“绝对”的空间。长度收缩和时间的膨胀是相对的。,总结,