电动力学 第七章 狭义相对论

经典物理：伽利略时期——19世纪末经过300年发展，达到全盛的“黄金时代”形成了三大理论体系机械运动：以牛顿定律和万有引力定律为基础的经典力学电磁运动:以麦克斯韦方程为基础的电动力学热运动:以热力学三定律为基础的宏观理论，以分子运动、统计物理描述的微观理论物理学家感到自豪而满足，两个事例：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。

也就是在测量数据的小数点后面添加几位有效数字而已。

—开尔芬(1899年除夕)理论物理实际上已经完成了，所有的微分方程都已经解出，青年人不值得选择一种将来不会有任何发展的事去做。

——约利致普朗克的信两朵乌云：迈克尔孙—莫雷实验的“零结果”黑体辐射的“紫外灾难”三大发现：电子：1894年，英国汤姆逊因气体导电理论获1906年诺贝尔物理学奖X射线：1895年，德国伦琴1901年获第一个诺贝尔物理学奖放射性：1896年，法国贝克勒尔发现铀；居里夫妇发现钋和镭，共同获得1903年诺贝尔物理学奖物理学还存在许多未知领域，有广阔的发展前景。

物理学正在临产中，它孕育着的新理论将要诞生了。

——列宁背景知识：爱因斯坦爱因斯坦,一个惊天的名字；爱因斯坦，一位擎天的巨人！有道是人乃万物之灵，爱因斯坦则是人类之灵！他立足地球，放眼宇宙，在浩瀚的天空架起理论桥梁，他的理论正指引着地球人对神秘的太空进行不懈的探索。

他是当之无愧的地球上“最杰出的人”！1 童年爱因斯坦阿尔伯特．爱因斯坦（Albert．Einstein）1879年3月14日出生在德国西南距离慕尼黑八十五哩的乌耳姆城(Ulm)。

父母都是犹太人。

父亲赫尔曼．爱因斯坦经营着一个制造电器设备的小工厂。

母亲玻琳非常喜欢音乐，在小爱因斯坦六岁时就教他拉小提琴。

小时侯，父亲送给爱因斯坦一个罗盘。

当他发现指南针不断地指着固定的方向时，感到非常惊奇，觉得一定有什么东西深深地隐藏在这现象后面。

他一连几天很高兴的玩这罗盘，还纠缠着父亲和雅各布叔叔问了一连串问题。

结论：同地不同时两事件，在其他惯性系中一般为不同
地不同时事件，但时间顺序不会颠倒，即因果律不变。 3、同时不同地事件
t2 t1 , x2 x1
若x2 x1 t '2 t '1 若x2 x1 t '2 t '1
结论：同时不同地两事件，在其他惯性系中一般为不同 时、不同地事件。
c2 v2 ) c
l1 1 米
l2 1.251014 米
讨论：
(1) 在不同惯性系中测量同一尺长，以原长为最长。 (2) 长度收缩效应是相对的。 (3) 该效应是时空属性之一，与尺子结构无关。 (4) 当v<<c，退化为经典结果。
(5) 长度收缩是观测结果，不是眼睛看见的结果。因为
中的绝对性。
概况起来，事件P相对于事件O的时空关系可以做如下
的绝对分类：
(1) 类时 间隔 A B
S2 0
绝对将来，即P在O的上半光锥内。 绝对过去，即P在O的下半光锥内。
t 0 t' 0 t 0 t' 0
(2) 类光 间隔 S 2 0
P点在光锥面上。
(3) 类空 间隔 S 2 0
度小于等于c，由此可见，相对论与因果律并不矛盾。
2、相互作用的最大传播速度 因果事件先后秩序的绝对性对相对论理论的要求： 所有物体运动的速度、信号传播的速度及作用传递的速 度等都不能超过光速c。
对于没有因果关系的两事件的先后秩序，在不同的 惯性系看来，是不同的。因为对这两事件来说，
( x2 x1 ) (t2 t1 ) 不代表什么速度，所以它大于c当
下面讨论相对论理论在什么条件下才与这个要求一致。
设两事件的时空坐标轴∑系中为(x1，t1)和(x2，

物理学家感到自豪而满足，两个事例： 在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只 要做一些零碎的修补工作就行了。也就是在测量数据 的小数点后面添加几位有效数字而已。 ——开尔芬（1899年除夕） 理论物理实际上已经完成了，所有的微分方程都 已经解出，青年人不值得选择一种将来不会有任何发 展的事去做。 ——约利致普朗克的信
由干涉理论，时间差的变化引起的移动条纹数
L1 L2 u 2 N c2 4 对于 L1 L2 22m,u 3 10 m s, 589nm c( t t )
N 0.40
但实验值为 N 0 以太不存在，光速与参考系无关。 该结果说明什么问题呢？
S
P
A
L1
实验结果：条纹无移动(零结果 )。以太不存在，光速与参考系 无关。
干涉条纹
B
地球公转
按照伽利略速度变换
u
A
L2
S
L1 L1 2 L1 t PAP 2 2 c u c u c (1 u c )
P
L1
v c u
2
2
2 L2 L1 t t PBP t PAP c 1 u2 c2 1 u2 c2 干涉仪转90°后 ，时间间隔变成
第 十 三 讲
狭义
相对论
运动是相对的，在研究运动相对性问题时，认识到 了参考系的概念。
本章研究的问题:
在两个惯性系中考察同一物理事件
通常： 实验室参考系 定为S系 运动参考系 定为S’系
1.伽利略相对性原理
从“三大守恒定律”到“牛顿运动定 律”，完成了“经典力学”的构建。几 乎可以用来解释所有宏观、低速运动现 象。 正如欧几里德几何建立在几条基本假设 的基础上， “经典力学的大厦”建立在“伽利略时 空观”的假设上。

在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c ，与 光源的运动状态无关
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S
y S' O
u y' O' c c c x' c x
在S系中, 若按伽利略变换: 往左:v=c-u 往右:v=c+u
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讨论：
1 Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展 一切物理规律 力学规律
解1：以地面为参照系 介子寿命延长。 用经典时空观 介子所走路程
y 0.998c 0 8 6 y 0.998 3 10 2.15 10 644(m )
还没到达地面，就已经衰变了。但实际探测 仪器不仅在地面，甚至在地下 3km 深的矿井 中也测到了 介子。
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S
S
u
弟 a. e f 弟 0 .
x
x
x
) 花开事件：( x, t1 S 系x处发生两个事件 ) ( x, t 2 花谢事件：
t1 （寿命） t t2
在S系中观察者测量花的寿命是多少？
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S
第三节
狭义相对论基本原理 相对时空观
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一、 狭义相对论的两条基本原理
爱因斯坦在1905年发表的《论动体的电动力学》 论文中提出了狭义相对论两条基本原理 1.相对性原理
所有物理规律在一切惯性系中都具有相同形式。 （所有惯性系都是平权的，在它们之中所有物理规 律都一样） 2.光速不变原理
2 光速不变与伽利略变换 与伽利略的速度相加原理不相容