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- --- 相对论初步知识 相对论是本世纪物理学的最伟大的成就之一，它标志着物理学的重大发展，使一些物理学的基本概念发生了深刻的变 革。狭义相对论提出了新的时空观，建立了高速运动物体的力学规律，揭露了质量和能量的内在联系，构成了近代物理学 的两大支柱之一。 § 2. 1 狭义相对论基本原理 2、 1、 1、伽利略相对性原理 1632 年，伽利略发表了《关于两种世界体系的对话》一书，作出了如下概述： 相对任何惯性系，力学规律都具有相同的形式，换言之，在描述力学的规律上，一切惯性系都是等价的。这一原理称 为伽利略相对性原理，或经典力学的相对性系原理。其中“惯性系”是指凡是牛顿运动定律成立的参照系。 2、 1、 2、狭义相对论的基本原理 世纪中叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的基础上，建立了完整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组。麦克斯韦电磁理论不但能够解释当时已知的电磁现象，而且预言了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波在真 空中的传播速度为一常数， c 3.0 108 米 / 秒 ，并很快为实验所证实。 从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关。如果光波也和声波一样，是靠一种媒质（以太）传 播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的。科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中以美国物理学家迈 克耳孙和莫雷实验最为著名。这个实验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，证明光速相对于地球是各向 同性的。但是这却与经典的运动学理论相矛盾。 爱因斯坦分析了物理学的发展，特别是电磁理论，摆脱了绝对时空观的束缚，科学地提出了两条假设，作为狭义相对 论的两条基本原理： 1、狭义相对论的相对性原理 在所有的惯性系中，物理定律都具有相同的表达形式。 这条原理是力学相对性原理的推广，它不仅适用于力学定律，乃至适合电磁学，光学等所有物理定律。狭义相对论的 相对性原理表明物理学定律与惯性参照系的选择无关，或者说一切惯性系都是等价的，人们不论在哪个惯性系中做实验， 都不能确定该惯性系是静止的，还是在作匀速直线运动。 2、光速不变原理 在所有的惯性系中，测得真空中的光速都等于 c，与光源的运动无关。 迈克耳孙—莫雷实验是光速不变原理的有力的实验证明。 事件 任何一个现象称为一个事件。物质运动可以看做一连串事件的发展过程，事件可以有各种具体内容，如开始讲 演、火车到站、粒子衰变等，但它总是在一定的地点于一定时刻发生，因此我们用四个坐标（ x， y， z， t ）代表一个事件。 间隔 设两事件（ x1 , y1 , z1 ,t1 ）与（ x2 , y2 , z2 , t2 ），我们定义这两事件的间隔为 s2 c 2 t2 t1 2 x2 x1 2 y2 y1 2 z2 z1 2 间隔不变性 设两事件在某一参考系中的时空坐标为（ x1 , y1, z1, t1 ）与（ x2 , y2 , z2 ,t 2 ），其间隔为 s2 c 2 t 2 t1 2 x2 x1 2 y2 y1 2 z2 z1 2 在另一参考系中观察这两事件的时空坐标为（ x , y , z，t x , y , z ， t 1 1 1 1 ）与（ 2 2 2 2 ），其间隔为 s 2 c 2 2 2 2 2 t 2 t1 x2 x1 y2 y1 z2 z1 由光速不变性可得 s2 s2 这种关系称为间隔不变性。它表示两事件的间隔不因参考系变换而改变。它是相对论时空观的一个基本关系。 2、 1、 3、相对论的实验基础 斐索实验 上世纪人们用“以太”理论来解释电磁现象，认为电磁场是一种充满整个空间的特殊介质——“以太”的 运动状态。麦克斯韦方程在相对以太静止的参考系中才精确成立，于是人们提出地球或其他运动物体是否带着以太运动？ 斐索实验（ 1851 年）就是测定运动媒质的光速实验。其实验装置如图 2— 1 所示；光由光源 L 射出后，经半透镜 P 分为两 束，一束透过 P 到镜 M 1 ，然后反射到 M 2 ，再经镜 M 3 到 P，其中一部分透过 P 到目镜 T。另一束由 P 反射后，经镜 M 3 、 M 2 和 M 1 再回到 P 时，一部分被反射，亦到目镜动时，两光束经历的时 M 3 差。当水管中的水流动 束逆水流传播。设水管 L T 射率为 n，光在水中的速  T。光线传播途中置有水管，整个装置是固定于地球上的，当管中水不流 间相等，因而到达目镜中无位相 M 2 时，两束光中一束顺水流传播，一 P l 的长度皆为 l ，水的流速为 v，折 M 1 c 图 2-1-1 度为 n 。设水完全带动以太， 则光 c c v v 顺水的传播速度为 n，逆水为 n ；若水完全不 c c c n ；若部分被带动，