相对论的诞生相对论诞生1章节.pptVIP

第一节：相对论的诞生 相对论产生的科学背景 1.“以太风”测定的零结果 2.洛仑兹的理论 3.彭伽勒的思想 爱因斯坦生平及主要贡献 1. 生平 2. 主要科学贡献 狭义相对论 1.狭义相对论的创立 2. 时空观的变革 3. 狭义相对论的局限性 广义相对论及其验证 1. 广义相对论的提出 2. 验证广义相对论的三大效应 本节教学目的和要求 1. 了解相对论产生的科学背景； 2. 了解爱因斯坦的主要科学贡献与思想方法； 3. 掌握狭义相对论和广义相对论的基本原理及其主要结论； 4. 深刻理解相对论时空观的科学与哲学意义。 一、相对论产生的科学背景 1. “以太风”测定的零结果 17世纪到19世纪末，科学家们为了寻找一种力学模型来解释光学现象，由此而发展起来一套以太理论。 波动说把光解释成为由以太传递的横向振动，解释了大部分光学现象。 某些以以太为基础构造的理论看上去还得到了实验的证实。 寻找以太 1. 1861年麦克斯韦把光看成是一种以波的形式通过以太传播的电磁扰动。以太理论达到顶峰。 2. 以太如此重要，需要做个实验证明它的存在。 3. 1879年麦克斯韦在致美国天文年鉴局托德的一封信中，提出了测定太阳系相对于传播光的以太的运动速度的一个方案。 迈克耳逊 迈克耳逊（A．A．Michelson，1852-1931）看到公开发表的麦克斯韦的信之后，尝试去做这个实验。 迈克耳逊先单独做了一个实验来测量地球穿过以太的效应，1881年他发表结果说没有发现地球相对于以太的可以检测的运动。 零结果 几年后他又与一名化学教授莫雷（1838-1923）合作，以更高的精度重复了这个实验，1887年他们公布实验结果，仍然没有发现地球相对于以太的运动。 实验的思想基础 在以太这个参考系中光速是均匀的，所以通过测量不同方向上光的视速度，比较它们的差异，就可以确定地球相对于以太的速度。 光程差 1. 假设实验室坐标系存在沿C到A速度为v的以太风，那么相对实验室的光速，从A到C为c-v，从C到A为c+v， 2. 在AB和BA方向光速为(c2-v2)1/2。 3. 如果AB=AC=L，那么光在AB、AC间往返所需的时间分别为： 4. t1=2L/(c(1-v2/c2)1/2)和t2=t1/(1-v2/c2)1/2 5. 两者之差△t，忽略高阶小项后，为Lv2/c3。相应的光程差为Lv2/c2。 条纹移动数0.37 1. 实验仪器转动90度，使得以太风从A到B，于是光程差为- lv2/c2，转动前后的总变化为2lv2/c2。 2. 设λ为实验所用光的波长，那么光程差的改变相应于条纹移动数n为2lv2/(λc2)。 3. 迈克耳逊-莫雷的实验长度为11米，波长等于5.9×10-7米。以太风，也就是地球绕太阳的轨道速度每秒30公里，那么n约等于0.37。 4. 0.37个条纹的移动在当时已经足够被观测到了。 无法观察到预期结果 1. 为了保证精确，迈克耳逊和莫雷把实验仪器浮在水银上面，当仪器缓慢转动时连续读数。他们发现最大的位移不超过1%个条纹。 2. 实验无法观察到预期的0.37个条纹的移动。 3. 他们还在一天的不同时间和相隔六个月后重复做这个实验，均未发现任何条纹移动。 对零结果的可能解释 以太随着地球一起运动，但这将使以太变得毫无意义。或者， 地球相当于以太静止，但这几乎是要倒退到中世纪以前的地心宇宙说。或者， 根本没有以太这种东西，但是光的波动说理论和麦克斯韦电磁理论都是建立在以太基础之上的。 “大失败” 1. 迈克耳逊他们如实地报道了他们的实验结果，但他没有意识到他所做的实验给出的结果所具有的重大意义，他称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。 2. 但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为“神圣”的经典物理学的根基。 3. 迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。 洛仑兹的理论 迈克耳逊-莫雷实验的零结果大大震惊了当时的物理学家们，他们无法相信根本不存在以太这种东西， 为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种不同的假设来解释迈克耳逊-莫雷实验的零结果。 其中最著名的就是菲兹杰拉德和洛伦兹的假说。 兹杰拉德 1. 1892年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851-1901）对迈克耳逊-莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解释。他认为地球穿过以太运动，一切物体都要在运动方向上产生一定比例的收缩，既(1-v2/c2)1/2的比例收缩（v为物体与以太的相对速度，c为光速）。收缩的量随物体运动速率的增加而增加。 2. 按照这种解释，干涉仪在地球真正的运动方向上总要缩短一些，其缩短的长度正好补偿了光所经过的路程的差异。不仅如此，一切可能的测量装置，包括人的感官在内，都