物理-狭义相对论产生的背景
相对论和狭义相对论
相对论和狭义相对论相对论和狭义相对论是物理学中的两个重要理论。
它们不仅深刻影响着人们对于时间、空间和物质运动的理解，也对科学研究和技术应用产生了巨大的影响。
本文将从历史背景、基本原理和应用领域等方面探讨相对论和狭义相对论。
首先，让我们回顾一下相对论和狭义相对论的历史背景。
相对论最早由爱因斯坦于20世纪初提出，他的著名论文《论相对运动的电气力学的基础》标志着相对论的诞生。
而狭义相对论则是在这一基础上进一步发展而成。
相对论的提出是为了解决经典力学中的矛盾和问题，尤其是光速恒定的事实与牛顿力学相对论中的绝对时空观之间的冲突。
其次，让我们来了解一下相对论和狭义相对论的基本原理。
相对论的基本原理包括对于光速的恒定性、惯性系的等价性和物质与能量之间的转化关系。
其中，光速的恒定性是相对论的核心理论之一。
它表明无论观察者的运动状态如何，光的传播速度都是不变的，即光速是相对于任何参考系都恒定的。
这一原理的提出彻底颠覆了牛顿力学中的时空观念。
狭义相对论是相对论的基础，它是以相对时间和相对空间为基础的理论。
相对时间指的是不同参考系中时间的流逝速度不同。
简单来说，当一个物体以接近光速的速度运动时，它在自己的参考系中的时间流逝较慢，在其他参考系中看来时间流逝更快。
相对空间指的是运动物体的长度在朝光速靠近的速度下会出现收缩的现象，即在运动方向上的长度会变小。
这种收缩效应称为洛伦兹收缩。
除了基本原理之外，相对论和狭义相对论在实际应用中也发挥着重要的作用。
首先，相对论为宇宙学的研究提供了重要的理论基础。
它揭示了宇宙的时空结构以及星体的运动规律，对于人们对宇宙起源和演化的认识提供了有力支持。
其次，相对论的研究和应用对于卫星导航和定位系统具有重要意义。
相对论修正改变了卫星发射前的轨道计算和卫星导航系统的设计，确保了导航系统的精确性和准确性。
此外，相对论在高能物理学、核能工程和粒子加速器等领域也都发挥着重要的作用。
总结来说，相对论和狭义相对论是重要的物理学理论，它们的提出和发展对于我们对时间、空间和物质运动的理解产生了深刻影响。
§13.1 狭义相对论的历史背景
P. 6
x′ = x − vt y′ = y z′ = z t′ = t
r r r u′ = u − v
r r r r a′ = a, F′ = F
若A、B同时发生，则： ∆t′ = ∆t = 0, 同时发生，
s′
v
∆x′ = ∆x
同时性是绝对的 ， 不依赖于参 同时性 是绝对的 是绝对的， 照系； 同时发生的两事件的空 照系 ； 间间隔也是这样或长度的测量 间间隔也是这样或 长度的测量
Chapter13. 相对论
§13. 1 狭义相对论的历史背景
P. 13
1912年用量子理论建立了光化学定律。 年用量子理论建立了光化学定律。 年用量子理论建立了光化学定律
1916年用量子理论提出了自激发射
与受激发射的概念，为光的受激辐 与受激发射的概念， 射（激光）奠定了理论基础。 激光）奠定了理论基础。 1924年提出量子统计法:玻色－爱因 年提出量子统计法: 年提出量子统计法 玻色－ 斯坦统计法。 斯坦统计法。 1917年起运用广义相对论的时空结构 年起运用广义相对论的时空结构 开创了各宇宙学研究的新纪元。并与 开创了各宇宙学研究的新纪元。 1946年后发展为宇宙大爆炸论。 1946年后发展为宇宙大爆炸论。 年后发展为宇宙大爆炸论 阿尔伯特．爱因斯坦 阿尔伯特． Albert Einstein 18791879-1955
相对论诞生 量子理论诞生
Chapter13. 相对论
§13. 1 狭义相对论的历史背景
P. 4
二.经典理论所遇到的挑战
1. 一切力学规律在任何惯性参照系中的形式均相同， 一切力学规律在任何惯性参照系中的形式均相同， 这称为牛顿力学的相对性原理或力学规律伽利略变 换的协变性( 换的协变性(covariance)。 协变性 )
从狭义相对论产生的历史深层背景看它的物理意义与科学价值
从狭义相对论产生的历史深层背景看它的物理意义与科学价值司今（jiewaimuyu@）从内心来讲，我本人对讨论相对论议题并不感兴趣，因为我还没有能够深入了解它；虽然大学里学了一点，那也只能算是“九牛一毛”，因此，我不想把有限精力放在这个“陌生问题”上作过多言论，因为，对不太了解的东西“言多必失”！但因受人之约，非要我谈谈对相对论的看法，碍于颜面，我也只好“应差”一下了。
据说，爱恩斯坦最初发表相对论的时候只有两个半人能看懂，一个是爱因斯坦，另一个是爱丁顿，其余的都是一知半解，加起来算半个；这虽有点戏语，但从侧面也反映出了相对论内容深奥、晦涩难懂的特点。
一百年过去了，相对论虽作为基础物理学而被人们接受，但真正理解相对论的人还是不多。
大学里，教授们在照本宣科地“念”着相对论给学生听，教授们走了，学生成了老师，于是还是照本宣科地“念”下去……可以这么说，相对论自诞生之后，并没有得到像量子力学那样大的发展，相反，它的一些假设、猜想还再延续让人困惑的传奇。
我始终认为，对相对论问题不能孤立地去看待和讨论，必须洞悉相对论产生的深层科学历史背景，必须将相对论的思想内容放到整个物理学体系中来全盘考虑，否则，那可能又是在演绎“盲人摸象”的滑稽剧！目前，流行的所谓挑战相对论问题，大部分也都是在“盲人摸象”！因为各种物理理论已相互交错，“牵一发而动全身”，正如王令隽教授所说：讨论与挑战相对论之难就在于相对论的一些概念和理论已深深融入到量子力学中去了。
1、狭义相对论产生的历史深层背景认识必须从它产生的科学历史背景着手，才能真正了解这个理论所描述的物理思想脉络和应用价值；我想，认识相对论也应如此。
十九世纪初，物理学已从宏观力学与经验电磁学转入微观粒子运动的研究，期间出现的不仅仅是“二朵乌云”，还有惯性系转换问题（从地球惯性系转入原子核惯性系）与光运动问题等。
爱因斯坦正是敏锐地扑捉了这一变革契机；他开始研究布朗运动与光电效应问题，他吸纳了普朗克的量子观点，并将这一观点应用到热力学中，特别是在解决物质态变中组成粒子的能级变化与光电效应问题起到了现代物理学基础的作用。
狭义相对论的基本原理
2）对称条件下，动钟延缓相对的。 →不存在绝对时间 3）在低速领域，相对论效应可忽略。
二、同时的相对性和时间膨胀
剧 目：双生子“佯谬”（ twin paradox ） 主 角：Jim与Tim（双生子） 第一幕：分别 剧 情： 在Jim与Tim的20岁生日那天， Tim 将乘速率为v =0.8c的飞船去 牵牛星考察，Jim到航天机场送别。
特例： 理想闪光实验（思想实验）
c
c
车厢参考系
地面参考系
cc
二、同时的相对性和时间膨胀
演示一：同时的相对性
二、同时的相对性和时间膨胀
结论：在一个惯性系中同时的两个事件，在相对此惯性系运
动的其它惯性系中不再同时。 S S'
发一光信号:
A'
M'
B'
事件 1: 接收到闪光
事件 2: 接收到闪光 O
x
系:
√ 麦克斯韦电磁理论
旧时空观
×
相对论时空观
一、狭义相对论的基本原理
2. 光速不变原理 真空中光在一切惯性系中的速度
都是常量c ，与光源（或观测参考系）
运动无关。
一、狭义相对论的基本原理
讨 论 一切物理规律
力学规律
(1) Einstein 的相对性理论 是 Newton 理论的发展； (2) 光速不变与伽利略变换及伽利略的速度相加原理针锋相对;
同时接收到光信号
事件1、事件2 同时发生。
系:
随 运动, 迎着光，趋近光信号；
而 在逃离光信号。
事件1、事件2 不是同时发生的！ 同时的相对性是光速不变原理的直接结果。
二、同时的相对性和时间膨胀
注意
沿垂直于相对运动方向上发生的两个事件的同时性是绝对的！
第3章 狭义相对论
c
d
d t1 c
v cv
d t 2 cv
t1 t 2
结果:观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球.
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。
B
A c V c
l
l tB c
vx
v x u u 1 2 v x c
v y u2 vy 1 2 u c 1 2 v x c
2 v u z vz 1 2 u c 1 2 v x c
vz u2 v 1 2 z u c 1 2 vx c
一维洛仑兹速度变换式
vu v vu 1 2 c
2
x k( x ut)
x x ut 1 (u c )
u t 2 x c 2 1 (u c )
2
t
u t 2 x c 1 (u c )2
t
时空变换关系
S S
x
x ut u 1 2 c
2
正变换
y y z z u t 2 x c t u2 1 2 c
vy u2 v y 1 2 u c 1 2 vx c
dy
u 1 2 vx dt c dt u2 1 2 c
2 vz u v 1 2 z u c 1 2 vx c
洛仑兹速度变换式
正变换 逆变换
vx u v x u 1 2 vx c
vy u2 v y 1 2 u c 1 2 vx c
S S
逆变换
u 1 2 c y y z z
狭义相对论的诞生和意义
狭义相对论的诞生和意义姓名：王祚恩学号：1120100190 班级：01311002 【摘要】在科学史上，爱因斯坦创立相对论的过程艰辛而充满质疑，然而当我们真正认识和了解到相对论时，我们知道爱因斯坦为什么能够称之为伟大。
几十年来的历史发展证明，狭义相对论大大推动了科学进程，成为现代物理学的基本理论之一。
【关键词】爱因斯坦，狭义相对论，意义一．时代的召唤。
在世界科学史上，爱因斯坦所处的时代是一个呼唤巨人，也创造出了大批巨匠的时代。
在伯尔尼专利局工作的岁月，是爱因斯坦在科学研究方面大丰收的几年。
在这期间，他解决了布朗运动的问题，创立了光子论和狭义相对论。
他的划时代的发现，表明对立统一规律不仅适用于人类社会，而且适用于自然界，是最普遍的规律，彻底改变了人们关于时间、空间、质量、能量等旧有的观念，为辩证唯物主义时空观的基本原理的正确性提供了最有利的科学依据，开始引起了科学界和思想界的普遍重视。
二．狭义相对论建立的历史背景。
一门新理论的诞生有其外在条件，也有其内在因素。
就外在条件而言：18世纪欧洲工业革命兴起，经过一个多世纪，到19世纪末，工业生产、科学技术有了长足的进步。
电力应用逐渐推广，内燃机、蒸汽机被采用，交通运输不断扩展……，所有这些对物理学的发展都有着直接的影响。
生产的发展需要科学；反过来，生产的发展又进一步推动了科学的进步。
相对论理论同其他任何一门科学理论一样，是生产水平和科学技术发展到一定阶段的必然产物。
牛顿力学是狭义相对论在低速情况下的近似。
经典物理学经过近300年的发展，到19世纪末已经建立起比较完整的理论体系到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。
而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。
在这样的背景下，才有了狭义相对论。
解开以太之谜，是爱因斯坦在相对论建立的道路上走出的第一步。
大学物理曲晓波-第6章 狭义相对论
x
x u t 1 u2 /c2
洛 仑
y
y
兹 z z
逆 变 换
t
t
ux c2
1 u2 /c2
洛伦兹逆变换只是把洛伦兹变换中的u→ - u，x与x’，
y与y’，z与z’交换位置。
说明：
①洛伦兹变换表示同一事件在不同惯性系中时空坐标的变换关系。 规定每个惯性系使用对该系统为静止的时钟和尺进行量度。
在所有惯性系中，物理定律的表达形式都相同。这就是爱因 斯坦相对性原理，即相对性原理。
此原理说明所有惯性系对于描述物理规律都是等价的，不存 在特殊的惯性系。可以看出，爱因斯坦相对性原理是力学相对 性原理的推广。
由此可得出，在任何惯性系中进行物理实验，其结果都是一 样的，运动的描述只有相对意义，而绝对静止的参考系是不存 在的。因此不论设计力学实验，还是电磁学实验，去寻找某惯 性系的绝对速度是没有意义的。
S 系v 中 x d d x t,v y d d y t,v z d d z t
v
x
vx 1
u
uvx c2
速 度 变 换
v
y
vy
1 u2 /c2
1
uvx c2
v
z
vz
1 u2 /c2
1
uvx c2
vx
v
x
1
u
u v x c2
速 度 逆 变 换
v
y
v
y
1 u2 /c2Biblioteka 1u v x c2
vz
v
z
1 u2 /c2
1
u v x c2
讨论：
①当u,v（vx,vy,vz)远小于光速ｃ时，相对论速度变换式退化
狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换
x
关键概念： 关键概念：相对性和不变性 .
0.80c
0.90c
二、狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换
洛伦兹变换特点 洛伦兹变换特点 1） ）
x ' , t ' 与 x, t
v << c
成线性关系， 成线性关系，但比例系数 γ
≠ 1.
2） 时间不独立， t 和 ） 时间不独立， 3） ）
x 变换相互交叉 变换相互交叉.
二、狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换
思路：用速度分量定义＋ 思路：用速度分量定义＋洛仑兹坐标变换公式 定义 系中： 在S系中： 系中 系中： 在S’系中： 系中
dx vx = dt dy vy = dt dz vz = dt
dx′ v′ = x dt′ dy′ v′ = y dt′ dz′ v′ = z dt′
洛伦兹变换
经典力学的相对性原理与麦氏电磁理论的矛盾
解决矛盾的可能方案： 解决矛盾的可能方案： （1）电磁学理论需要修正 ） （2）伽利略变换和牛顿力学的时空观有问题。 ）伽利略变换和牛顿力学的时空观有问题。 （3）力学满足相对性原理只是偶然，相对性原理不 ）力学满足相对性原理只是偶然， 是普遍原理，电磁学理论只在特殊的惯性系中成立。 特殊的惯性系中成立 是普遍原理，电磁学理论只在特殊的惯性系中成立。
二、狭义相对论的基本原理
洛伦兹变换
3. 洛伦兹变换式
t 设 ： = t '= 0 时，o , o ' 重合 ; 事件 P 的时空 坐标如图所示 .
x' = x − ut 1− β
2
= γ ( x − ut )
s s'
z
y
y'
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经典力学认为空间和时间是相互独立的、互不相关 的，并且独立于运动之外。
经典力学认为质量是和运动无关的常量。所以：在 经典力学中，长度、时间及质量都和运动无 关，是一个不变量。
绝对时空观
引言
十九世纪末期，经典物理学各个分支的发展 都已日臻完善，并不断取得新的成就。
力学
建立分析力学、发现海王星
热学
建立经典统计物理学
电磁学
建立经典电动力学
光学
实现了与电磁学的统一
找到了共同规律——能量转化与守恒定律
引言
经典物理学
I. Newton (1642-1727)
J. C. Maxwell (1831-1879)
在两个惯性系中 牛顿方程在Galileo变换下形式不变
在牛顿力学中力与惯性参考系无关，质量与运动无 关，
宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同
力学相对性原理（伽利略相对性原理）： 力学现象在所有惯性系中的进行都相同。
力学相对性原理：力学现象对一切惯性系来说， 都遵从同样的规律；或者说，在研究力学规律时, 一切惯性系都是等价的。
1、伽利略变换 (Galilean transformation)
t = t' = 0
y' t = t'
(重合)
S'
x = x' + t y = y'
P
z = z'
O
O'
t
(x')
z'
2、力学相对性原理（伽利略相对性原理） 经典速度相加定理： 相对速度 = 绝对速度 - 牵连速度
牛顿的绝对时空观太简洁了， 伽利略速度变换太真实了！
考虑两个相互作匀速直线运动的参
考系 S 和S'，它们相应的坐标轴彼此 平行， S' 系相对S 系的速度为v，沿x 轴正方向。在t = t' =0时刻，两个参
y y' S'
P (x, y, z; t ) (x', y', z'; t')
考系的坐标原点重合。
x
O O'
x'
z z'
选择不同的参考系，对同一事件的描述是不同的。
败的主要原因是我死守一个观念：只有变量 t 才能 作为真正的时间，而我的当地时间 t' 仅能作为辅助
的数学量。”他写出了时空变换公式，可是他不敢
讲这个 t' 就是一个运动的观察者的时间。
26岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的错误的 原始观念，坚持同时是相对的，才打开了通向新物 理的大门。
引言
要有自由的眼光，必须能够同时近看和远看课题。 —— 杨振宁
物理学的大综合
引言
William Thomson:
"There is nothing new to be discovered in physics now. All that remains is more and more precise measuremen 1900, Lord Kelvin mentioned in a lecture
庞加勒只有远距离的眼光， 洛仑兹只有近距离的眼光。
《大学物理》第一章 狭义相对论
第一节 狭义相对论产生的背景与实验基础
一、旧物理学的基本原理
物理事件：无限小空间元、无限短时间间隔内 发生的物质运动过程。
质点的运动过程就是一系列物理事件接续 发生的过程。
在两个惯性系S , S'中分析描述同一物理事件
力学相对性原理告诉我们：无法借助力学实验的 手段确定惯性系自身的运动状态。
相对性问题的核心是： 物理规律是客观存在的，与参考系无关。 即参考系平权，没有特殊的参考系。
3. 绝对时空理论
Galileo 变换体现了经典 时空理论的特性
S y y' S'
r
O O' z z'
P
(x, y, z; t ) (x', y', z'; t')
x x'
由Galileo变换
“同时”是绝对的
对两同时发生的事件
绝对空间
同时性是绝对的，物理过程进行的时间、空 间两点的距离，或物体长度与参考系无关。
用牛顿的话来说： “绝对的、真正的、和数学的时间，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言是与任何外界事物无 关的，它从不运动，并且永远不变。”
“ Nineteenth-Century Clouds over the Dynamical Theory of Heat and Light” the “beauty and clearness of theory” was overshadowed by “two clouds”: the null result of the Michelson-Morley experiment ; the problems of blackbody radiation.
引言
关于相对性原理
庞加勒(J. H. Poincaré)在1904年的演 讲“新世纪的物理学”有这样一段：“根据 相对原理，物理现象的规律应该是同样的， 无论是对于固定不动的观察者，或是对于做 匀速运动的观察者。这样我们不能够，也不 可能，辨别我们是否正处于这样一个运动状 态”
引言
关于时空变换
洛仑兹(H.A. Lorentz)在1915年写道：“我失
在两个相互作匀速直线运动 的参考系 S 和 S' 中，事件的 时空坐标之间有什么关系？
y y' S'
经典力学观点:
时间的流逝在所有参考系中都相同: O O'
z z'
P (x, y, z; t ) (x', y', z'; t')
x x'
空间的间隔在所有参考系中也是相同的：
——绝对时空观
时间的流逝和空间的度量与物体的运动没有任何关系。
引言
迈克尔逊—莫雷 实验的零结果
黑体辐射理论中 出现的紫外灾难
相对论
量子力学
引言
一首闻名的诗
自然和自然规律 隐藏在黑夜之中， 上帝说“让牛顿降生吧”， 一切就有了光明；
但是，光明并不久长， 魔鬼又出现了， 上帝咆哮说：“嗬！ 让爱因斯坦降生吧”， 就恢复到如今这个样子。
引言
爱因斯坦：机遇与眼光
爱因斯坦极其幸运。他 出生于一个合适的时代，当 物理学面临重重危机的时候 他的创造力正处于巅峰，他 有机会改写物理学的进程。
他有自牛顿时代以来的独一无二的机遇！
引言
拉格朗日：“虽然牛顿确实是杰出的 天才，但我们必须承认他也是最幸运的人 人类只有一次机会去建立世界的体系。”
爱因斯坦有机会修正200多年前牛顿 所创建的体系，这个机会当然也对同时代 的其他科学家们开放。当时许多科学家对 这个题目也极感兴趣。