4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件

第四章 狭义相对论

二、狭义相对论产生的实验基础和历史条件伽利略变换的困难

1) 电磁场方程组不服从伽利略变换2) 光速c 3) 高速运动的粒子 迈克耳孙-莫雷实验 测量以太风 零结果 洛仑兹的收缩假设与变换理论

庞加莱的相对性原理

4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件

第四章 狭义相对论

解释天文现象的困难 夜空的金牛座上的“蟹状星云”,是900多年 前一次超新星爆发中抛出来的气体壳层。

A c V B

c

ll tB cl 5千 光 年 抛 射 速 度 1500km/s V

l tA c V

结论：在25年持续看到超新星爆发时发出的强光。 史书记载：强光从出现到隐没还不到两年。

矛盾

4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件 从麦克斯韦方程组可得两条结论：

第四章 狭义相对论

1、光在真空中的速度是一个恒量，与参考系 的选择无关。 2、电磁现象服从相对性原理。

4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件三、爱因斯坦的狭义相对论基本原理

第四章 狭义相对论

1.相对性原理 一切物理规律在任何惯性系中形式相同 2.光速不变原理 在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c 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

4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件 附注： 迈克尔孙 — 莫雷实验

第四章 狭义相对论

1、建立绝对参照系，并认为光在相对于绝对参照系运动的参照 系中沿各个方向的速度是不同的。如果能借助某种试验方法测 出光相对于以太的速度，那么以太参照系也就被确定了。 2、实验装置：迈克耳逊干涉仪， 设“以太”参考系为S系，实验室为

s'

系

s

G T

M2 (从 s ' 系看)G M1

M2

M22

v

c

-v

c v2

c

-v

G

c 2 v2

4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件GM2 GM1 l

第四章 狭义相对论

G

M1

G

G

M2

G2 2

T

sG M1

M2

v

l l t1 c v c v

t2 2

2l c 1 v c

v Δ c t l 2 c

若将仪器旋转90°,则光程差由正转负：

l 10m, 500nm, v 3 10 m/s 仪器可测量精度 N 0.01 N 0.44

v N 2l 2 c 2Δ2

v N 2l c 2 2Δ2

4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件

第四章 狭义相对论

实验结果

N 0

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 . 4、实验结果：并没有发现条纹的移动——即证明以太并不存在。 否定“以太”所引起的困惑：相对性原理只适用于牛顿定律， 而不能

用于迈克斯韦的电磁场理论 。 爱因斯坦坚信世界的统一性和合理性否定了牛顿的绝对时空观， 于1905年提出了“狭义相对论”。

三、爱因斯坦的狭义相对论基本原理1.相对性原理 一切物理规律在任何惯性系中形式相同 2.光速不变原理 在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c 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

2 光速不变与伽利略变换与伽利略的速度相加原理针锋相对

革命性

3 观念上的变革时间标度 与参考系无关 速度与参考系有关 (相对性) 长度 时间 质量 狭义相对 论力学 光速不变 与参考系有关

牛顿力学 长度标度质量的测量

(相对性)

4.2

洛仑兹变换式

y

y’ ] [S’

[s]

一、洛仑兹变换的导出

t t 0SS 寻找

o o 重合o o’

p

P x, y, z, t

x x’

P x , y , z , t

z

ut

x’

Z’x

两个参考系中相应的 坐标值之间的关系

有

y y z z