相对论的诞生.pptVIP

第15章 相对论简介 15.1 相对论的诞生 本节主要内容 相对论诞生的历史环境 经典的相对性原理，以及它在电磁学领域里遭遇的困惑 爱因斯坦在已有知识背景和实验基础上，通过思维的自由创造，大胆提出两条假设：狭义相对性原理和光速不变原理 相对论诞生的历史背景 19世纪末物理学取得了巨大的成就： 牛顿力学 热力学 统计物理学 电磁场理论 形成了完整的物理学体系，并被赞誉为： “一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂” 普朗克：“老师，我准备把我的一生都献给理论物理学。” 在1900年英国皇家学会的新年庆祝会上，著名的物理学家，威廉·汤姆孙，回顾了物理学在过去几百年中的发展，充满自信地宣称：科学的大厦已经基本完成，未来的物理学家只要做一些修修补补的工作就可以了。 但同时他也承认“明朗的天空中还有两朵小小的、令人不安的乌云”。 一、经典的相对性原理 1、惯性系：牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性系做匀速直线运动的另一个参考系也是惯性系 2、伽利略相对性原理：力学规律在任何惯性系中都是相同的 还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。 二、相对性原理与电磁规律 19世纪末电磁理论在麦克斯韦的推动下达到了顶峰。他的成就在于将当时所有已知的电磁学的知识归纳集中于四个方程之中： 在电磁学领域里，相对性原理遇到了麻烦，这个麻烦与光速有关。经典力学的速度合成法则、相对性原理、电磁场理论，三者间出现不和谐。 只有两种可能： （1）麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。 由于受牛顿绝对空间和绝对时间的观念长期支配的影响，物理学界中多数人认为在绝对空间中充满着以太，麦克斯韦方程仅在相对于绝对空间静止的以太这一特殊惯性系中成立。于是，在地球这个相对于绝对空间运动的系统中，麦克斯韦方程仅近似成立。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。 通过电磁学或光学实验应该能够测量出地球相对于以太的漂移速度。 为此很多物理学家设计了一系列实验，想要测出地球在“以太”中运动的速度。1887年的迈克耳孙——莫雷实验是最著名的一个：它们将一束光分成互相垂直的两束，一束的传播方向和地球运动方向一致，另一束和地球运动方向垂直，然后使它们发生干涉。如果不同方向上的光速有微小的差别，当两束光互相置换（旋转干涉仪）时干涉条纹就会发生变化。由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望它对光速能有较大的影响。 他们期待发现，这两束光的传播速度会有所不同，然而不管他们如何努力，精密的实验得到的结果却是两束光的速度没有预计的差别。 迈克尔孙-莫雷实验 寻找以太“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：根本没有以太这种东西！ 迈克耳逊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：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。 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。 只有两种可能： （1）麦克斯韦电磁理论只在某一特殊的惯性系成立。 （2）经典力学要作修改。 小 结 一、伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 二、相对性原理与电磁规律发生矛盾 三、狭义相对论的两个基本假设 1、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的，光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。 老师：“年轻人，物理学是一门已经完成了的学科，不会再有多大的发展了。将一生献给这门学科，太可惜了。” 慕尼黑的物理学教授菲利普·冯·约利 量子理论诞生 相对论诞生 与光速问题有关 与黑体辐射有关 正是这两朵小小的乌云，冲破了经典物理学的束缚，打消了当时绝大多数物理学家的盲目乐观情绪，为后来建立近代物理学的理论基础作出了贡献。 “相对于不同的参考系，经典力学定律的表达形式是否完全相同？” 牛顿力学的回答: 对于任何惯性参照系 ，牛顿力学的规律都具有相同的形式。这就是经典力学的相对性原理。 那么，同一物理量在不同惯性系中的值有对应关系。 该原理意义－一切惯性系都是等价的，没有绝对静止