第十八章相对论

18-1 伽利略变换关系牛顿的绝对时空观 18-2 迈克尔孙-莫雷实验 18-3 狭义相对论的基本原理洛伦兹变换第十八章相对论第18-1讲

18-1 伽利略变换关系牛顿的绝对时空观 一伽利略变换式经典力学的相对性原理二经典力学的绝对时空观 18-2 迈克尔孙—莫雷实验一以太假设二迈克尔孙－莫雷实验 18-3 狭义相对论的基本原理洛伦兹变换式一狭义相对论的基本原理二洛伦兹变换式

.P(x,y,z,t) (x’y’z’t’) V 位置坐标变换公式 x’ O x O’ 18-1 伽利略变换关系牛顿的绝对时空观伽利略变换当t=t’=0时,O与O’重合经典力学认为：1）空间的量度是绝对的，与参考系无关；2）时间的量度也是绝对的，与参考系无关 .

伽利略速度变换 .P(x,y,z,t) (x’y’z’t’) V 加速度变换公式 x’ O x O’

注意 牛顿的绝对时空观牛顿力学的相对性原理牛顿力学的相对性原理，在宏观、低速的范围内，是与实验结果相一致的 . 二经典力学的绝对时空观相对于不同的参考系 , 长度和时间的测量结果是一样的吗? • 绝对时空概念：时间和空间的量度和参考系无关 , 长度和时间的测量是绝对的. 实践已证明 , 绝对时空观是不正确的.

对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式是一样的吗 ？真空中的光速对于两个不同的惯性参考系 , 光速满足伽利略变换吗？

球投出前 球投出后试计算球被投出前后的瞬间，球所发出的光波达到观察者所需要的时间. (根据伽利略变换) 结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.

物质飞散速度 A B l = 5000光年 900多年前（公元1054年5月）一次著名的超新星爆发，这次爆发的残骸形成了著名的金牛星座的蟹状星云。北宋天文学家记载从公元 1054年 ~ 1056年均能用肉眼观察, 特别是开始的 23 天, 白天也能看见 . 当一颗恒星在发生超新星爆发时, 它的外围物质向四面八方飞散, 即有些抛射物向着地球运动, 现研究超新星爆发过程中光线传播引起的疑问 .

超新星爆炸的遗迹.距离约35000光年。一颗巨大的恒星在燃烧了数百万年后坍缩崩溃成了一个黑洞，黑洞在吸进周围气体的同时，还将外层的一些物质，包括铁、镍离子和气体抛射出去。当这些喷气撞击包围恒星的稠密气体时，发出光芒来。这些气体的温度高达1500万度。超新星爆炸的遗迹.距离约35000光年。一颗巨大的恒星在燃烧了数百万年后坍缩崩溃成了一个黑洞，黑洞在吸进周围气体的同时，还将外层的一些物质，包括铁、镍离子和气体抛射出去。当这些喷气撞击包围恒星的稠密气体时，发出光芒来。这些气体的温度高达1500万度。

A点光线到达地球所需时间 B点光线到达地球所需时间物质飞散速度 A B l = 5000光年

理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约实际持续时间约为 22 个月, 这怎么解释 ?

18-2 迈克尔孙-莫雷实验 为了测量地球相对于“以太”的运动 , 1881年迈克尔孙用他自制的干涉仪进行测量, 没有结果 . 1887年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验, 仍得到零结果, 即未观测到地球相对“以太”的运动 .

M2 GM2 M2G M1 G T （从系看）设“以太”参考系为S系，实验室为系 GM1G G M2G M2 T G M1

仪器可测量精度 实验结果未观察到地球相对于“以太”的运动. 人们为维护“以太”观念作了种种努力，提出了各种理论，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验相矛盾，最后均以失败告终 .

18-3 狭义相对论的基本原理 和洛仑兹变换一狭义相对论的两条基本原理相对性原理光速不变原理

1）相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式.1）相对性原理：物理定律在所有的惯性系中都具有相同的表达形式. 2）光速不变原理：真空中的光速是常量,不依赖于惯性系的选择. 和光速不变紧密联系在一起的是：长度是相对的; 时间是相对的; 同时性是相对的

说明同时具有相对性，时间的量度是相对的 .

设时，重合;事件P 的时空坐标 .P(x,y,z,t) (x’y’z’t’) V x’ O x O’ 二　洛伦兹变换式

逆变换 洛伦兹变换特点 1）x,t不独立，x和t 变换相互交叉. 2）时，洛伦兹变换伽利略变换。

逆变换的矩阵形式 • 意义：基本的物理定律应该在洛伦兹变换下保持不变.这种不变显示出物理定律对匀速直线运动的对称性 ——相对论对称性 .

洛伦兹变换特点 ① x，t 与x，t成线性关系，但比例系数 ② 时间不独立，时间、空间坐标相关联，说明在相对论中，时空的测量互不分离。 ③ v<<c时，洛伦兹变换→伽利略变换。 ④ v>c时，洛伦兹变换失去意义，意味着光速c是自然界中的极限速率。

第十八章 相对论