upload【物理】高中物理竞赛辅导相对论初步知识19doc

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

19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，秒米/100.38

?=c ，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（1111,,,t z y x ）与（2222,,,t z y x ），我们定义这两事件的间隔为

()()()()2

122

122

122

1222z z y y x x t t c s -------=

间隔不变性 设两事件在某一参考系中的时空坐标为（1111,,,t z y x ）与（2222,,,t z y x ），其间隔为

()()()()2

122

122

122

1222z z y y x x t t c s -------=

在另一参考系中观察这两事件的时空坐标为（'1'1'1'1,,t z y x ，）与（'

2'2'2'2,,t z y x ，），其间隔为

()(

)(

)(

)

2

'1'22'1'22'1'22'1'22'2z z y y x x t t c s -------=

由光速不变性可得

'22s s =

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1M ，然后反射到2M ，再经镜3M 到P ，其中一部分透过P 到目镜T 。另一束由P 反射后，经镜3M 、2M 和1M 再回到P 时，一部分被反射，亦到目镜T 。光线传播途中置有水管，整个装置是固定于地球上的，当管中水不流动时，两光束经历的时间相等，因而到达目镜中无位相差。当水管中的水流动时，两束光中一束顺水流传播，一束逆水流传播。设水管的长度皆为l ，水的

流速为v ，折射率为n ，光

L

图2-1-1

在水中的速度为n c 。设水完全带动以太，则光顺水的传播速度为v n c +，逆水为v

n c

-；若水完全不带动以太，光对装置的速度顺逆水均为n c ；若部分被带动，令带动系数（曳引系数）为k ，则顺水为kv n c +，逆水为kv

n c

-，k 多

少由实验测定，这时两束光到达目镜T 的时差为

2

422??? ??≈

+-

-=

?n c lkv kv n

c

l kv n

c

l t

斐索测量干涉现象的变化，测得

n k 1

1-

=，所以光在介质参考系中的传播速度为

θcos 11v n n c u ???

??-+=

式中θ是光线传播方向与介质运动方向间的夹角。

现在我们知道，匀速运动介质中的光速可由相对论的速度合成公式求得，设介质（水）相对实验室沿X 轴方向

以速度v 运动，选's 系固定在介质上，在'

s 上观察，介质中的光速各方向都是n c

，所以光相对实验室的速度u 为

cn v v n c c v n c v n c u +

+=?++=112

??? ??

-??? ??+≈cn v v n c 1 2n v v n c -+≈

??? ??

-+=

211n v n c 。

由此可知，由相对论的观点，根本不需要“以太”的假说，更谈不到曳引系数了。

迈克尔孙—莫来实验

迈克尔孙—莫来于1887年利用灵敏的干涉仪，企图用光学方法测

定地球的绝对运动。实验时先使干涉仪的一臂与地球的运动方向平行，另一臂与地球的运动方向垂直。按照经典的理论，在运动的系统中，光速应该各向不等，因而可看到干涉条纹。再使整个仪器转过900

，就应该发现条纹的移到，由条纹移动的总数，就可算出地球运动的速度v 。迈克尔孙—莫来实验的装置如图2-1-2所示，使一束由光源S 射来的平行光，到达对光线倾斜450

角的半镀银镜面M

上，被分成两束互相垂直的

相干光。其中透射部分沿2MM 方向前进，被镜2M 反射回来，到M 上，再部分地反射后沿MT 进行；反射部分沿1MM 方行进行，被镜反射回来后再到达M 上，光线部分透过，也沿MT 进行。这两束光在MT 方向上互相干涉。而在T 处观察或摄影，由于2MM 臂沿着地球运动方向，臂1MM 垂直于地球运动方向，若2MM = 1MM =l ，地球的运动速度为v ，则两束光回到M 点的时间差为

2

?

??

??=?c v c l t

当仪器绕竖直轴旋转900角，使1MM 变为沿地球运动方向，2MM 垂直于地球运动方向，则两束光到达M 的时差为

2

'

?

??

??-=?c v c l t

我们知道，当时间差的改变量是光波的一个周期1T 时，就引起一条干涉条纹的移动，所以，当仪器转动900

后，

在望远镜T 处看到的干涉条纹移动的总数为

2

2

1'2c v l T t t N ?=?-?=?λ，

式中λ

是波长，当

l=11

米，

秒米秒，米/103/1038

4

?=?=c v ，所用光波的波

长

图2-1-2

图2-2-1

米时，7109.5-?=λ则△N ≈0.4，这相当于在仪器旋转前为明条纹，旋转以后几乎变为暗条纹。但是他们在实验中测

得△N ≈1001

，而且无论是在白天、夜晚以及一年中的所有季节进行实验，始终得到否定的结果，就是说光学的方法

亦测不出所在参考系（地球）的运动状态。

§2、2 伽利略变换

2、2、1 伽利略变换

（1） 如图2-2-1所示，有两个惯性

系S 和'S ， 它们对应的坐标轴相互平行，且 当t ='t =0时，两系的坐标原点'O 与O 重合。

设'S 系相对于S 系沿x 轴正方向以速度u 运动。

同一质点P 在某一时刻在S 系中的时空坐标为(x,y,z,t)，在S`系中的时空坐标为 （x’,y’,z’,t’）

???????===-=t t z

z y y ut x x '''' 即 t u r r -='或 (1)

x=x '

＋ｕｔ ???

??==='''t t z z y y 即 t u r r +='

式（1）称为伽利略时空坐标变换公式。

（２）将式（1）中的空间坐标分别对时间求一次导数得：

???

???

???====-=-==z z y y x x v dt dz v v dt dy v u v u dt dx

dt dx v ''

'''' 即u v v -= '

或???

??

?

???======+=+==z z y y x x v dt dz dt dz v v dt dy dt dy v u v u dt dx dt dx v '''''1

即u v v '+'= （2）

式（2）称为伽利略速度变换公式。 （3）将式（2）再对时间求一次导数得

???

??

?

???=='='=='='=='='z z z z y y y y x x x x

a dt dv dt v d a a dt dv dt v d a a dt dv dt v d a 即a a ='

???

??'

='='=z z y y x x a a a a a a a a

'= （3） 式（3）表明在伽利略变换下加速度保持不变。式（3）称为伽利略加速度变换公式。 2、2、2 经典力学的时空观

（1） t=t '，或Δt=Δt ' （4）

（2） Δr '=2

12212212222)()()()()()(z z y y x x z y x -+-+-=?+?+?，

Δr '=2

12212212222)()()()()()(z z y y x x z y x -+-+-=?+?+?。

因,,)()(1212121212

y y y y x x ut x ut x x x -='-'-=---='-' r r z z z z ?='?-='-'所以,1212 （5）

式（4）表明：在伽利略变换下，任何事件所经历的时间有绝对不变的量值，而与参照系的选择（或观测者的相对运动）无关。式（5）表明：在伽利略变换下，空间任何两点间的距离也有绝对不变的量值，而与参照系的选择测得的同一事件的时间间隔和空间任意两点间的距离都是绝对的不变量。这就是经典力学的时空观或者称之为绝对时空观。用牛顿本人的话来说：“绝对的真实的数学时间，就其本质而言，是永远均匀地流逝着，与任何外界事物无关。”“绝对空间就其本质而应是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变。”按照这种观点，时间和空间是彼此独立、互不相关，并且独立于物质和运动之外的某种东西。

2、2、

3、力学规律在伽利略变换下的不变性 （1）伽利略变换下的牛顿第二定律 在s 系中，a m F '=∑

在S '系中，

a m F '='∑

（6）

（2）伽利略变换下的质点动量定理 在s 系中， ?∑?=v

m dt F

在s`系中，

?∑'

?=''v m t d F

（7）

（3）伽利略变换下的质点动能定理

在s 系中，

v m v m Ek W 2121222

1-=

?=∑外 在s`系中，

v m v m k E W '-'=

'?='∑2121222

1外 （8）

（4）伽利略变换下的功的公式 在s 系中，??=r

d F w

在s`系中，

????-='?='?'=dt

u F w r d F r d F w （9）

若F

为质点所受的合外力，则有

u v n w w

??-=' （10） （5）伽利略变换下的动量守恒定律

在s 系中，若）恒量（，则外c v M F n i i

i

==∑∑=1

对两个而点组成的封闭系统的一维动量传递问题则有

2211202101v m v m v m v m +=+

在s`系中，若，则外外

0=='∑∑F F

）

恒量（c v m n i i i '='∑=1

（11）

∑=-='n

i i

m u c c 1

（6）伽利略变换下的机械能守恒定律 在s 系中，210E E W W ==+，则非保内外

在s`系中，210E E W W '='='+'，则非保内外 （12）

综上所述，力学规律在伽利略变换下具有不变性。即力学规律在不同的惯性参照系中具有相同的形式，是规律的形式相同，而不是每一个物理量的数值在不同惯性系中都相同。

§2、3 洛仑兹变换

2．3．1、洛仑兹变换

如图18-1-1所示的两个惯性系：S 系和S ′系。设同一事件的两组时空坐标分别为（X,Y,Z,t ） 和(),,,t Z Y X ''''。按洛仑兹变换有

???

??

????-='='='-=')()(2X c u t t Z Z Y Y ut X Y X γ （13）

或???

??

????'+'='='='+'=)()(2x c u t t Z Z Y Y t u X X γγ

式（13）称为洛仑兹坐标变换公式，式中=1/

2

2

1c u -。请注意t '是X 和t 的函数，t 是X '和t '的函数，即时间不再与空间无关。

2．3．2、 洛仑兹速度变换公式

?????

??????

-='

=-='

=?????

?

--='=)1(/')1(/')(1/)('222c

uv u dt z d v c

uv u dt y d v c uv u v dt x d v x z x y y y x x x γγ 或????

??

?????+==+==??????

++==)'1(/')'1(/'()'(1/)'(2

22c

uv v dt dz

v c uv v dt dy v c uv u v dt dx v x x x y y y x x x νν （14）

式（14）中=1/

2

)(1c u -

§2、4、相对论时空理论

2．4．1、 运动时钟延缓 亦称爱因斯坦延缓。我们考虑晶体振动这样一个物理过程。设晶体在 S '系中静止，在静止系中测得晶体的振动周期为0τ，若S '系匀速v 相对S 系沿x 轴运动，若晶体相邻两次达到振幅极大值的事件在S 系中的坐标为（x 1,t 1）,(x 2,t 2) ,在S '系中为（1

'x ,1

t '）,(2x '，2t ')，其中2x '=1x '。由洛仑兹变换可得 2t -1t =）（122

2122122211)()(11

t t c v

x x c v t t c v '-'-=??????'-'+'-'-

因为2

t '-1t '=0τ，令2t -1t =t,则 t=

2

2

1c v -τ 这表示在S '系中同地发生的两事件的时间间隔，由S 系观察是延长了。

将同地发生的两事件换为事件发生处钟的读数，就得到两个惯性系中时钟快慢的比较。当S '系中的一个钟通过S 系的两个钟（S 系认为已校准的两个钟）时，S 系的钟所记时间间隔比S '系所记的大，即每一个惯性系都测得对它运动着的时钟变慢了。所有发生在运动物体上的物理过程都具有这种延缓，因此它是时空的一种基本属性，与过程的具体性质无关。这种延缓又称为时间膨胀或爱因斯坦延缓。

2．4．2、 运动尺度缩短 设一棍静止在S '系中，沿 x '轴放置，且S '系想对于S 系以匀速v 沿x 方向运动。

在S '系的观察者观察，棍后端的坐标为1

x '，前端的坐标为2x '，棍对他没有运动，因此他测得棍长为0l =2x '-1x '。S 系的观察者观察到在同一时刻t ，棍后端的坐标为1x ，前端的坐标为2x ，则他测得棍长为l =2x -1x ，根据洛仑兹变换

1x '=2211c v vt x --,

2x ' =2

2

21c v vt x --.

两式相减，得

2

2

1212

1c v x x x x --='-',

即

2

20

1c v l l -=.

这表示物体沿其长度方向运动时，其长度缩短为静止时的2

21c v -倍。这种现象称为洛仑兹收缩。缩短是相对的，

每一惯性系都测得对它运动着的物体沿运动方向的长度要缩短。

运动物体沿运动方向的长度缩短是时空的一种基本属性，不但物体的长度缩短，物体间的距离也要缩短，所以这种收缩不是物体内部结构的改变。

2．4．3、 相互作用的最大传播速度和因果律 由同时的相对性可知，事件的先后次序与它们的空间位置和两惯性系间的运动状态有关。在经典的时空理论中，时间的次序是绝对的。在相对论时空观中，是否事件的先后次序没有客观意义呢？显然不是的，如果两事件有因果关系（如农样生产中，先播种后收获，人的先生后死），则它们的先后次序应当是绝对的，不容颠倒，这是事件先后这个概念所必须反映的客观内容。相对论在什么条件下才与这个条件一致呢？

设两事件的时空坐标在S 系中为(11,t x )和(22,t x ) ，在S '系中为(11

,t x '') 和(22,t x '') ，由洛仑兹变换有

2

21221212

1c v c t t -='-'.

如果两事件有因果关系，而且2t >1t ，由于它们的次序不能颠倒，必须在S '系中观察时，亦有12

t t '>'。这就要求 )(12212x x c v

t t ->

-,

即

2

1

21

2c t t x x v

<--.

因为c v <，满足上式的条件是

c t t x x <--1

21

2.

对于因果事件，12

1

2t t x x --正是事件进展的速度，因此因果事件先后次序的绝对性对相对论的要求是：所有物体

的运动速度、讯号传输的速度是光速c 。

同时的相对性 在惯性系S 中异地同时发生两个事件：事件1（11,t x ），事件2（22,t x ） ，且t

t =12

（设y ，z

不变，故事件只用x ， t 表示）。在另一惯性系中看这两事件的时空坐标为1：(11

,t x '')与2：(22,t x '')。由洛仑兹变换关系

???

??

?----='-')()(11

12

2122

212

x x c v t t c v t t

=

11222

2c c v -

只要12x x ≠，则12

t t '≠'。就是说在S 系中同时发生的两事件，在S '系看却不同时，即在某惯性系内不同地点同时发生的两事件，对具有相对运动的另一惯性系内的观察者说来，他所测得的两个事件发生的时刻是不同的，同时是相对的。

§2、5、相对论动力学基础

2．5．1、 相对论质量

2

020)(1/1,)(1/c v

m c v m m -==-=γγ

式（18-18）中0m 为物体的静止质量，v 为物体的运到速度，c 为真空中的光速。此式告诉我们在狭义相对论中物体的质量不再是一个恒量，而是一个随速度变化的物理量。当c v →时，∞→m ，而当c v <时，0m m →。因此一个有限大小的力作用于静止质量无论如何小的物体上，其速度不可能趋近于无限大，物体的极限速度为c 。

2．5．2、相对论能量

（1）物体的总能量

2

02

202

)(1c m c

v

c m mc E γ=-=

=

式（18-19）表明：一定的质量必定联系着一定的能量，反之一定的能量必定联系着一定的质量。这个方程就叫做爱因斯坦质能（联系）方程。既然物体的质量与能量有一定的对应关系，所以在相对论力学中质量守恒与能量守恒等价。

（2）物体的静能 2

00c m E =

（3）物体的相对论动能 2

02020)1(c m c m mc E E E k -=-=-=γ

（4）质能变化方程： 2

mc E ?=?

上式告诉我们当物体的质量发生m ?的变化时，必同时伴随着能量的变化2

mc E ?=?。

2．5．3、相对论动量

v

m c v

v m v m p 020)(1/γ=-==

2．5．4、相对论能量、动量的关系 （1） 0

22

22

E

c p E +=

若以 pc 、0E 表示一直角三角形的两条直角边，则E 必构成此直角三角形的斜边。

（2） 2

/c Ev P =

2．5．5、相对论的动力学的基本方程

∑+==dt dm

v dt v d m dt v m d F )(

2．5．6、相对论的速度叠加

由于时间和空间的相对性，对于物体的速度，在某一惯性系S '内观测，要用S '系的时间和空间坐标表示；在另一惯性系S 内观测，要用S 系的时间和空间坐标表示。这样，速度叠加公式就不再是绝对时空的速度叠加公式了。假如S '和S 两系的坐标轴相平行，S '以速度v 沿x 轴而运动，一质点以v '相对S '沿x '轴而运动，则相对S ，其速度u 为

2/1c v v v v u '+'+=

这是相对论的速度叠加公式。如果c v <'，则u

（2）设实验室为参照系S ，一个电子参照系为S '，则S '相对于S 系的速度是0.6c ，另一个电子相对于S 系的

x

图2-6-3

速度为-0.6c ，按洛仑兹变换，另一个电子相对于S '系的速度是x u '

，则

x

x x v c v v

v u 21--=

'

=)(12v c v

v v ----

=2

212c v v +-

c 88.0-≈

这就是说，以一个电子为参照物看另一个电子的速度是0.88c ＜c ，即小于光速，与实验相符合，是合理的。 例2、有一条河宽为l ，其河水流速是v ，船相对河水的速度为u '，且v u >'。今有船A 和B 分别沿图2-6-4（a ）中所示路径往返一次，求各需要时间多少？哪条船需时长些？

解 本题是经典力学问题，用力伽利略变换处和即可。设岸的坐标系为S ，河水的坐标系为S '，如图2-6-4（b ）所示，若船相对岸的速度为u ，则对于A 船

j u i u u y x ''+''='，

j u i u u y x += ，

0=x u .

由伽利略变换

知:v u u x x -'

=,则v u x ='.而

2122)(x y y u u

u u '-'='= =

2

122)(v u -' x '

图2-6-4

(a)

S

y

v

x

x '

u '

O ' S '

y ˊ

(b)

=2

12

21???

? ?

?'-'u v u

所以A 船往返一次所需时间为

2

1

22)1(22u v u l u l t y A '-'=

=

对于B 船，相对于岸的往返速度x u 分别为v u +'和v u -'，所以其往反一次所需要的时间为

)1(222u v u l

v u l v u l t B '-'=

-'++'=

因为u u >'，所以1<'u v .按2

1)

1(--x 和1

)1(--x 展为幂级数的公式有

2

122)1(2-'-'

=

v u l

t A

=)

83211(244

22 +'?+'?+'u v u v u l 122)1(2-'-'=

v u l

t B

=)1(244

22 +'+'+'u v u v u l

所以 0

)8521(244

22>+'?+'?='=- u v u v u l t t A B ,

故A B t t >，即B 往返一次的时间比A 船往返一次的时间要长。 例3、一个中微子在惯性系S 中沿+y 方向以光速c 运动，求对S 系以速度v 沿+x 方向运动的观察者所观测到的中微子

的速度和方向怎样？

S ' y '

v

O ˊ

x ˊ

图2-6-5

解: 设运动观察者为S '系，他所看到的中微子的速度分量为x u '

， y u '，z u '，则按洛仑兹变换 x u '=x x u c v v

u )(12

--

=),0(=-x u v

x y

y u c v u u )(1)

1(2

2

12-?

-='β （令

c v

=

β）

=)()1(2122

c u c c v y =?-

),

0(0)(1)

1(2

2

1

2==-?

-='z x

z

z u u c v u u β

因此， 21222)(z y x

u u u u '+'+'='

[

]

,)1(2

12

222c c c v

v =?-+=

即运动中的观测者测得中微子的速度仍是c ，中微子的运动方向是

,1211

???? ???--=''=--c v tg

u u tg a y x β

即中微子运动方向与y O '轴的夹角。

例4、试证明：物体的相对论能量E 与相对论动量P 的量值之间有如下关系： 证明：E 2

- p 2

c 2

=(mc

2

)2-(mvc)2

=m 2c 2( c 2- v 2

)=

2

22201c v v m -( c 2- v 2) =(224

20v c c

m -c 2- v 2)= m 20c 4

=E 20