[教育学]Chapter 4 相对论基础.ppt

Chapter 4 Fundamentajs of Relativity  相对论是20世纪初物理学取得的两个最伟大成就之一，另一个是普朗克的能量子假设。在十九世纪末叶，随着电磁学和光学的发展，人们在研究电磁波的传播速度与参考系之间的关系时，做了大量实验和理论研究工作，发现在电磁(光)现象和高速度运动问题中，应用牛顿力学，其结果与实验事实不相容。正是在这样的历史背景下，爱因斯坦（A.Einstein,1879―1955）在1905年提出了时间和空间的新观念和在惯性系中高速运动问题的理论，创建了狭义相对论(special relativity)；1915年又把它扩大到非惯性系中去，发展成广义相对论(general relativity)。尽管它的一些概念与结论和人们的日常经验大相径庭，但它在物理学上却是那样地合理、和谐，并已被大量实验所证实。现在，相对论已经成为现代物理学以及现代工程技术不可缺少的理论基础。 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》 §4-1 狭义相对论的基本原理及洛仑兹变换 一、狭义相对论的产生背景 从经典力学到狭义相对论 伽利略相对性原理 为了描述物体的机械运动，我们需要选择适当的参考系。实验表明，对于任何惯性参考系，牛顿运动定律都是成立的。而不适用牛顿运动定律的参考系则叫非惯性系。早在1632年，伽利略(G.Galilei,1564―1642)对于一个封闭的船舱内所发生的现象，曾生动地描绘道:“使船以任何速度前进，只要船的运动是匀速的，也不忽左忽右地摆动，在船舱内你从一切现象中观察不出丝毫的改变，也无法从其中任何一个现象来确定船是在运动还是在停着不动。即使船运动得相当快，在跳跃时你也将和以前一样。在船底板上跳过相同的距离，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远，虽然你跳在空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。当你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不须要用更多的力。水滴将像先前一样滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾。蝴蝶和苍蝇将继续随便到处飞行，它们决不会向船尾集中。如果点香冒烟，则将看到烟象一朵朵云一样向上升起，不会向任何一边移动。” 爱 因 斯 坦 的 假 设 (1)相对性原理 爱因斯坦的相对性原理是伽利略的力学相对性原理的推广和发展,它适用于所有的物理现象,包括电磁学. 洛 伦 兹 §4-2 狭义相对论的时空观 §4-3 狭义相对论的动力学问题 曼哈顿工程 早在1938年，匈牙利物理学家西拉德（1898——1964）就预见，链式反应一旦实现，其释放的巨大能量很可能被用来制造杀人武器。二战爆发后，西拉德流亡到美国，当他得知德国核裂变取得成功,正在加紧研究链式反应，并禁止被其占领的捷克出口铀矿石时，他马上意识到德国可能正在研制原子弹，要是让希特勒这样的战争狂人拥有了原子弹，那人类的未来将不堪设想。 不过现在政府没有精力考虑这个事情 1939年8月，西拉德和其他两位物理学家找到了爱因斯坦，希望他以自己的威望给美国总统写信，说服美国政府率先研制。爱因斯坦很赞同他们的看法，在西拉德草拟的信上签了名，并委托罗斯福总统的朋友和顾问萨克斯面交总统。 A.Einstein  L.Szilard 1939年8月， L.Szilard劝说爱因斯坦共同签发给美国总统罗斯福一封信, 主张美国不要让希特勒先掌握这种武器。 他终于想到了一个历史故事 萨克斯一看总统无意支持此事，很是着急，一夜都在想如何才能说服总统，后来他终于想到了拿破仑当年拒绝富士顿建造汽船的历史故事。决心以此来打动总统，次日，罗斯福请萨克斯共进早餐，萨克斯说了这样一席话： 在拿破仑战争时代,一个年轻的美国发明家富尔顿来到这位法国皇帝面前他建议建立一支由蒸汽机船组成的船队,无论在什么天气下都能在英国登陆.但军舰没有帆能走吗?对这位伟大的科西嘉人来说简直不可思议.因此他把富尔顿赶了出去. 后来英国历史学家阿克顿爵士说,这是敌人缺乏见识而使英国得以幸免.如果当时拿破仑稍稍动动脑筋,再慎重考虑一下,那么19世纪的历史进程也许完全会是另外一个样子. 战争成了催产婆 这个故事果然打动了罗斯福，10月11日他立即叫来了随从，命令组成一个“铀咨询委员会”并拨款六千美元作为研究经费,只限于大学研究所。因为美国当时还没有参战， 并希望保持中立。12月6日，亦即日本偷袭珍珠港的前一天，美国政府才正式大量