狭义相对论基础

第五章狭义相对论基础内容：1．经典力学的时空观；迈克耳逊–莫雷实验，长度收缩，时间延缓，同时的相对性，狭义相对论的时空观。

质量与速度的关系；相对论动力学基本方程；相对论动量和能量。

2．狭义相对论的基本原理；3．洛仑兹坐标变换式；4．相对运动；重点与难点：1．经典力学的时空观2．迈克耳逊–莫雷实验。

3．狭义相对论的基本原理；3．质量与速度的关系；4．相对论动量和能量。

5．相对论动力学基本方程要求：1．了解爱因斯坦狭义相对论的两个基本假设。

2．了解洛伦兹坐标变换。

了解狭义相对论中同时的相对性以及长度收缩和时间延缓。

了解伽利略的绝对时空观和爱因斯坦狭义相对论的时空观及其二者的差异。

3．理解狭义相对论中质量和速度的关系、质量和能量的关系。

相对论包括狭义相对论和广义相对论两部分内容．狭义相对论提出了新的时空观，建立了物体高速运动所遵循的规律，揭示了时间和空间、质量和能量的内在联系．广义相对论提出了新的引力理论，开始了有关引力本质的探索．本章仅介绍狭义相对论的运动学以及相对论动力学的主要结论．§5-1 伽利略变换与力学相对性原理为了理解相对论时空观的变革，首先回顾一下牛顿力学的时空观．一、伽利略变换与绝对时空观要描述某一个事件，应该说明事件发生的地点和时间．这就需要确定一个参考系，并在其中使用一定的尺和钟，用以确定事件发生的空间坐标和时间坐标，即用x、y、z来表示事件发生的空间位置，用t来表示事件发生的时刻．设有分别固定在两个惯性参考系上的两个直角坐标系S和S'，如图5-1所示，相应的坐标轴相互平行，S'系相对于S系以恒定速度v沿x轴正方向运动．现在要讨论的问题是：如果在S系上的观测者测得某一事件P发生的位置和时刻分别为x、y、z和t，而在S'系上观测者测得同一事件P发生的位置和时刻分别为x'、y'、z'和t'，那么x、y、z、t 和x'、y'、z'、t'之间的关系如何呢？图5-1讨论这一问题时，两个观测者所使用的尺和钟应当完全相同．即把它们放在同一参考系的同一位置时，两把尺子的长度是相同的，两个钟的快慢也是相同的．为了讨论简单起见，令两坐标系的原点O 与O '重合的时刻为两个坐标系计时的起点，即这时0t t '==．从图5-1分析，并把时间的量度也考虑进去，便可得到x x vt y y z z t t '=-⎫⎪'=⎪⎬'=⎪⎪'=⎭（5-1） 这组关系式称为伽利略时空变换式．同样还可以得到x x vt y y z z t t ''=+⎫⎪'=⎪⎬'=⎪⎪'=⎭（5-2） 通常把（5-1）式称为正变换，把（5-2）式称为逆变换．此两式就是一个事件在两个相对运动的惯性系中测得的时空坐标的关系．以u 和u '分别表示同一质点在S 和S '系中的速度，由（5-1）式的前三式对时间t 求导数，并考虑到t t '=，得到d d d d d d d d d d d d x x v t t y y t t z z t t '⎫=-⎪'⎪'⎪=⎬'⎪'⎪=⎪'⎭按速度的定义，即有x x y y z z u u v u u u u ⎫'=-⎪⎪'=⎬⎪'=⎪⎭（5-3）或写成矢量式'=-u u v （5-4）（5-3）式和（5-4）式称为伽利略速度变换公式．在导出伽利略变换时，已经隐含着牛顿的时空观．这种时空观认为，空间是一个与物质运动无关的、永恒不变的、固定不动的独立存在的框架，因此，长度测量是绝对的，与参考系无关；时间单向永远地流逝着，因此，时间间隔的量度也是绝对的，与参考系无关．时间、空间和物质客体三者是彼此独立、相互无关的．正是以绝对时空观为前提，事件P 发生的空间位置到O y z '''平面的距离，在S 系和S '系来量度，所得的量值是相等的，即x x vt '=-；由000t t '==，可以得到在S 系和S '系测量事件P 发生的时刻是相同的，即t t '=．由此可以推论：如果有两个事件在S 系看来同时发生，在S '系看来也必定同时发生．也就是说同时性是绝对的，与参考系无关．绝对时空观与日常生活经验是一致的，因而长期被人们认为是普遍正确的．伽利略变换就是绝对时空观的数学表述．二、力学相对性原理现在研究由S 系和S '系测量同一质点运动的加速度a 和a '的关系．由（5-4）式对时间求导数，考虑到t t '=，以及两惯性系之间的相对速度v 与时间无关，即得d d d d t t'='u u 即 '=a a上式表明，同一质点的加速度在S 系和S '系测得的量是相同的．在牛顿力学中，一个质点的质量是不因其运动而改变的，因此，在S 系和S '系测量同一质点的质量的量值m 和m '应相等，即m m '=．牛顿力学中的力只跟质点的相对位置或相对运动有关，也是和参考系无关的，因此，在两惯性系中测量同一力所得的F 和'F 是相同的，即'=F F ．综上所述，若对于S 系有m =F a ，则对于S '系必然有m '''=F a ．这表明经过伽利略变换，牛顿第二定律的形式不变．也就是说，力学规律在一切惯性系中都具有相同的形式．这个结论称为力学相对性原理．历史上，早在牛顿定律建立之前，伽利略就通过观察和实验，论证了力学规律在所有惯性系中都是相同的，亦即从力学的观点看来所有惯性系都是等价的．因此，力学相对性原理也称为伽利略相对性原理．§5-2 狭义相对论的基本假设与洛仑兹变换一、狭义相对论的基本假设在物体低速运动的范围内，伽利略变换和力学相对性原理是符合实际的．然而，在19世纪下半叶，随着电磁理论的发展，电磁现象与经典力学理论产生了许多矛盾．特别是人们确认光就是电磁波，并证明了在真空中光沿各个方向传播的速度都相同．光速（用c 表示）是相对于哪个惯性系而言的呢？当时的物理学家普遍认为，光是在所谓光以太这种特殊介质中传播的．根据伽利略变换，相对于光以太运动的不同惯性系，光速是不同的．如果有一个惯性系S '相对于光以太沿光的传播方向以速度v 运动，那么，在S '系测得的光速应该为c c v '=-；如果有一个惯性系S ''相对于光以太沿光的传播相反的方向以速度v 运动，那么，在S ''系测得的光速应为c c v ''=+．由此看来，似乎可以通过测定光速的实验来发现物体（例如地球）相对光以太的速度．光以太本身就可以当作特殊的静止参考系，其他所有物体相对它运动．然而，人们在绝对静止的光以太这个观点的基础上，对大量实验和观察的结果进行讨论研究，出现了许多矛盾．力学相对性原理和伽利略变换遇到了不可克服的困难．这里不去叙述和解释那一系列矛盾的历史，而直接介绍爱因斯坦1905年在《论动体的电动力学》这一具有划时代意义的论文中提出的新的理论．爱因斯坦在前人，特别是洛仑兹和庞加勒工作的基础上分析了经典力学与电磁现象之间的矛盾，重新审视了人们头脑中根深蒂固的伽利略变换所蕴含的绝对时空观，提出了两个新的假设．这就是狭义相对性原理和光速不变原理，创立了狭义相对论，建立了崭新的相对论的时空观．这两个假设表述如下：(1) 狭义相对性原理：一切物理定律在相对作匀速直线运动的所有惯性系内均成立．这是对伽利略相对性原理的推广．它指出，相对性原理不仅适用于力学现象，而且适用于一切物理现象．因此，不论是力学实验还是其他任何物理实验，都不能判定一个惯性系比另一个惯性系更优越，光以太的假设是多余的．(2) 光速不变原理：真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为c ，并与光源的运动无关．一个世纪以来，人们进行了大量相关的实验，这些实验事实只能用相对论来解释和预见．只能在有了这些牢固的实验基础以后，人们才能回过头来说这两个假设是反映客观实际的基本原理．二、洛仑兹坐标变换式爱因斯坦依据光速不变原理结合狭义相对性原理，得到了狭义相对论的坐标变换式，即洛仑兹坐标变换式．洛仑兹坐标变换式是关于一个“点”事件在两个惯性系中的时空坐标之间的变换关系．所谓“点”事件，是指某一时刻发生在空间某点上的事件．我们仍采取导出伽利略变换时的两个惯性坐标系S 和S '系（图5-1所示），相应的坐标轴彼此平行，S '系相对于S 系以恒定速度v 沿x 轴正方向运动．规定两惯性坐标系中观测者所使用的尺和钟完全相同．同样规定，两坐标系原点重合时为计时起点．设某一事件在惯性系S 中的时空坐标为（x 、y 、z 、t ），在惯性系S '中的时空坐标为（x '、y '、z '、t ' ），洛仑兹坐标变换式为2x y y z z v t x t '='=⎪⎪'⎬=⎪⎪-'= （5-5）其逆变换为2x y y z z v t x t =⎪'=⎪⎪'⎬=⎪⎪''+= （5-6）必须注意，洛仑兹变换讨论的不是一个抽象的空间点或某一抽象的时刻，而是一个真实存在的物理事件．一个真实存在的物理事件不能只有空间坐标或时间坐标，而必须同时具有空间坐标和时间坐标．所以在应用洛仑兹变换处理问题时，要特别注意两组时空坐标是否代表同一物理事件的坐标．从（5-5）和（5-6）式可以看到，c 是自然界的一个极限速度．为了使x '和t '保持为实数，v 不能大于c ．这表明两个参考系的相对速度不可能大于光速．由于参考系总是借助于一定的物体而确定的，所以任何物体的速度都不可超过光速．从（5-5）和（5-6）式还可以看到，当S '系相对S 系的速度v c <<时，洛仑兹变换就过渡到伽利略变换．§5-3 狭义相对论的时空观从洛仑兹变换可以得出四个主要结论，它们标志着相对论时空观区别于绝对时空观的特点之所在．一、时间作为“第四维”从洛仑兹变换公式中可以看到，我们必须改变绝对的、普遍的时间概念．由（5-5）组式中的第四式可知，S '系的观测者测得某事件发生的时刻t '不但与S 系的观测者测得的时刻t 有关，而且与位置x 有关，因而，我们不能把空间和时间作为彼此分离的概念，用三个空间坐标和一个独立的时间坐标来表征一个事件，而应用洛仑兹变换“混合在一起”的四个时空坐标来代替．在数学上，时刻可当作第四个空间坐标来看待，因此，有时将时间称为“第四维”．二、同时的相对性按照伽利略变换，S 系中的观测者测到两事件同时发生，则在S '系中的观测者亦测到两事件同时发生，即同时是绝对的．现在讨论洛仑兹变换的情况．设有两个事件1P 和2P ，S 系中的观测者测得其时空坐标分别为（1111,,,x y z t ）和（2222,,,x y z t ）；在S '系中的观测者测得其时空坐标分别为（1111,,,x y z t ''''）和（2222,,,x y z t ''''）．按照洛仑兹变换，有11222212v v t x t x t t --''== 在S 系和S '系测得的时间间隔分别为（21t t ''-）和（21t t -），它们之间的关系为21()()v t t x x t t ---''-=（5-7） 由此可见，在两个相对作匀速直线运动的惯性系中测得的时间间隔，一般说来是不相同的．若两个事件1P 和2P 在S 系中的观测者看来是同时发生的，即21t t =，由（5-7）可得21221()v x x t t --''-= 由上式可以看出，当12x x ≠时，210t t -≠．这一结果表明，在一个惯性系中不同地点同时发生的事件，在相对它运动的任一其他惯性系中的观测者看来，并不同时发生．只有在一个惯性系中同一地点、同一时间发生的两个事件，在相对它运动的另一惯性系看来，才会同时发生．同时是相对的．三、时间间隔的相对性设在S '系中某点x '处先后发生了两个事件1P 和2P，其时刻分别为12,t t ''，时间间隔为21t t ''-．注意到1P 和2P 在S '系中的空间坐标相同，由（5-6）式有 122212v v t x t x t t ''''++==由此可得21t t -=即t ∆=上式表明，在S '系中同一地点先后发生的两个事件，在S 系中的观测者测得其时间间隔，比在S '系中的观测者测得其时间间隔长．通常，把在某一惯性系中同一地点先后发生的两个事件的时间间隔称为固有时间间隔，用0t ∆表示．一般地说，在与该惯性系有相对运动的另一惯性系中测得的这两事件的时间间隔为t ∆= （5-8）t ∆总是大于0t ∆，这个效应叫做时间膨胀效应．时间膨胀效应表明了时间间隔是相对的．仅当两惯性系的相对速度v c <<时，0t t ∆≈∆，绝对时空观中的时间间隔不变，才是近似正确的．如果用钟走的快慢来说明，S 系中的观测者把固定在S 系中的钟和固定在相对它运动的S '系中的钟相对比，将会发现S '系中的钟走慢了．所以这个效应也叫做运动的时钟变慢．应当特别指出，时间膨胀是相对的．S '系中的观测者把固定在S '系中的钟和固定在相对它运动的S 系中的钟对比时，会发现S 系中的钟走慢了．四、长度的相对性如图5-2所示，在S '系中沿x '轴放置一刚性杆AB ，此杆在S '系中静止，但相对S 系则沿x 轴正方向以速度v 运动．在伽利略变换下，从两参考系中测得杆的长度相同．现在根据洛仑兹变换重新研究这个问题．在S 系测量这一运动的杆的长度时，不能让度量的尺子也具有速度v 相对杆静止地度量，因为尺在运动时长度也可能会变化．正确的测量方法是同时测定杆两端在S 系中的坐标1x 和2x ，杆的长度21l x x =-． 图5-2设在S 系，在时刻t 测得杆的两端点A 、B 的坐标为1x 、2x ，即端点A 和S 系x 轴的坐标1x 重合的这一事件的时空坐标为（11,x t ），端点B 和S 系x 轴的坐标2x 重合这一事件的时空坐标为（22,x t ），而且12t t t ==．这两个事件在S '系的观测者看来，其时空坐标分别为（11,x t ''）和（22,x t ''）．由（5-5）式1122122222,11x x vv c c ''==--由此可得212121221x x vc ''-=-由12t t t ==得2121221x x vc ''-=-即221l v c '=- 或 221v l l c '=-上式表明，固定在S '系的杆，在S 系的观测者测得的长度，比在S '系观测者测得的长度短．一般地说，从与杆有相对运动的惯性系中测得的沿速度方向的杆的长度，比与杆相对静止的惯性系中测得的长度短．通常把与杆相对静止的惯性系中测得的杆的长度称为固有长度，记作0l ．在其他沿杆长方向运动的惯性系中测得的长度为l l = （5-9） l 总小于0l ，这个效应称为长度缩短或洛仑兹收缩．长度缩短效应说明空间间隔（长度）是相对的，可因在不同的惯性系中测量而不同．仅当v c <<的时候，0l l ≈，绝对时空观中的长度不变才是近似正确的．应当指出，由（5-5）式y y '=，z z '=，可以看到，如果杆沿y '轴或z '轴放置，杆长不会缩短．长度缩短也是相对的．两把相同的尺子分别固定于S 系和S '系中，在两个参考系的观测者看来，固定在自己所在的参考系的尺子的长度应为固有长度，因而固定在另一参考系中的尺子应比自己的尺子短些．两个观测者的结论都是正确的．例题5-1 原长为50m 的火箭以3910v =⨯m/s 的速度相对于地面匀速飞行．在地面上的观测者测得飞行中的火箭的长度是多少？解 由题意可知，火箭的固有长度050l =m ，用l 表示地面上观测者测得飞行中的火箭长度，按（5-9）式有50l l ==521501(310)49.999999982-⎡⎤≈⨯-⨯⨯=⎢⎥⎣⎦m 结果表明，对火箭这样大的速度，长度缩短效应是微乎其微的．例题5-2 在06000h =m 的高层大气中产生了一个μ子，μ子以0.998c 的速度竖直向地面飞来，静止的μ子的平均寿命为6210-⨯s ，问μ子在衰变以前能否到达地面？解 地面上的观测者，按经典理论计算，粒子走过的距离为 8610(0.998310)(210)598.8d v t -=∆=⨯⨯⨯⨯=m10d h <，因此，它似乎不可能到达地面．实际上，μ子的速度与光速c 可以比拟，必须考虑相对论效应．μ子相对地面运动，在地面的观测者看来，它的平均寿命为6631.610st --∆===⨯地面上的观测者所计算的μ子可飞行的距离为286(0.998310)(31.610)9461md v t-=∆ =⨯⨯⨯⨯ =20d h >,因此，按μ子的平均寿命，它能到达地面．五、相对论的速度变换公式利用洛仑兹变换可以得到相对论的速度变换公式．用（x ，y ，z ，t ）和（x '，y '，z '，t '）分别表示运动质点P 在S 系和S '系中的时空坐标，用（,,x y z u u u ）和（,,x y z u u u '''）分别表示质点P 在S 系和S '系中的速度分量．对（5-5）式的4个分式两边取微分，并考虑到惯性系S 和S '之间的相对速度v 是常数，则有d d x v x t -'== d d y y '=d d z z '=22d d d 1d v v x t x t t --'== 按速度定义d d d ,,d d d x y z x y z u u u t t t ''''''==='''和 d d d ,,d d d x y z x y z u u u t t t === 即可得到222d d 1d d 1d d 1x x x y xz xu v x u u vt c y u t cz u t c⎫⎪'-'==⎪'⎪-''=='⎪-⎪''=='-⎪⎭ （5-10） 上式就是相对论的速度变换公式．其逆运算可根据相对性原理，将v 换成v -，带撇的量和不带撇的量互换而得到222111xx xy xz xu v u u v cu cu c ⎫⎪'+=⎪'⎪+=⎪+⎪=+⎪⎭（5-11） 应当注意，相对论的速度变换关系中虽然S 系和S '系相对速度的方向沿x 轴方向，但不仅速度的x 分量要变换，速度的y 分量和z 分量也要变换．当v c <<时，（5-10）和（5-11）式将过渡到速度变换式．例题5-3 飞船A 和飞船B 各以0.8c 和0.6c 的速度相对于地面分别向右和向左飞行．由飞船B 测得飞船A 的速度多大？解 现在涉及三个客体，选飞船A 为运动物体，飞船B 为S '系，地球为S 系．飞船A 相对地面的速度为0.8x u c =，S '系相对S 系的速度为0.6v c =-（式中负号表示S '系相对于S 系的速度沿x 轴的负方向），飞船A 相对于飞船B 的速度为x u '，根据（5-10）式，有220.8(0.6)0.9460.8(0.6)11x x x u v c c u c u v c c c---'===⨯--- §5-4 相对论质量、动量和能量一、相对论质量动量守恒定律是自然界的普遍规律之一．在相对论力学中，我们仍把动量守恒定律作为一条基本定律，而且定量仍用m =p v 的形式定义．可以证明，要使动量守恒定律在洛仑兹变换下保持不变，则质点的质量m 不再是一个与其速率v 无关的常量，而是随速率增大而增大，即m = (5-12)式中0m 是由相对质点静止的观测者测得的质量，称为静止质量．（5-12）式表明，当质点以一定速率相对观测者运动时，观测者测得该质点的质量m 大于静止质量0m ．因此，质点的质量也是相对的．（5-12）式称为相对论的质速关系式．若物体的运动速度v c <<时，0m m =，即物体低速运动时，其质量与速率无关，等于静止质量．这就是经典力学中的质量概念．二、相对论质点动力学方程由质点相对论动量的定义和（5-12）式可得质点的相对论动量p 与其速度v 的关系为m ==p v （5-13） 可以证明，对洛仑兹变换保持形式不变的相对论动力学方程为d d ]d d t t ==p F （5-14）显然，因为m 随v 而改变，所以不能像经典力学那样，把质点动力学方程写成m =F a的形式．但在v c <<的情况下，（5-13）和（5-14）式都与静电力学中对应的关系相同，说明经典力学是相对论力学在低速条件下的近似．三、质能关系式在相对论力学中，我们仍把力定义为动量的时间变化率，即d d()d d m t t==p v F 而且，我们仍定义物体的动能为在合外力F 作用下，使物体由静止到达末速度为v 时，合外力所作的功．由此可导出相对论的动能表达式．设物体在力F 的作用下沿曲线s 运动，在元位移d s 上物体动能的增量为d()d d d d()d K m E m t=⋅=⋅=⋅v F s s v v 2d d d d m m mv v v m =⋅+⋅=+v v v v 由（5-12）式可得032222d d (1)m v v m v c c=- 代入上式并化简，即得2d d K E c m =当物体的速度由零增加到v ，质量由0m 增加到m ，物体的动能020d d v m K K m E E c m ==⎰⎰ 220K E mc m c =- （5-15） 这就是相对论的动能表达式．容易证明，当v c <<时，即当物体的速度远小于光速时，则有2012K E m v = 这就是经典力学中的动能表达式．（5-15）式可以写成为220K mc E m c =+ （5-16）爱因斯坦把2mc 称为物体的总能量，20m c 称为物体的静止能量（简称静能）．（5-16）式表明，物体的总能量等于物体的静能与动能之和．用E 和0E 分别表示物体的总能量和静能，即2200,E mc E m c == （5-17）这就是相对论的质能关系式．他揭示了质量和能量这两个物质基本属性的联系，即一定的质量m 相应地联系着一定的能量2E mc =，即使处于静止状态的物体也具有能量200E m c =，当物体和外界没有能量交换时，物体的总能量守恒，同时物体的相对论质量也必定守恒．当物体质量有增量m ∆时，物体的总能量的增量为2()E m c ∆=∆ （5-18）这是质能关系的另一表述形式．它表明，当物体吸收或放出能量时，必定伴随着质量的增加或减少．这是相对论最重要的结论之一．质能关系在近代物理研究中非常重要，对原子核物理以及原子能的利用方面，都具有重要的指导意义．例题5-4 试计算热核反应23311110H H He +n +→过程中释放的能量．已知各粒子静止质量分别为氘核273.343710D m -=⨯kg ，氚核275.004910T m -=⨯kg ，氦核276.642510He m -=⨯kg ，中子271.675010n m -=⨯kg ．解 反应前后，系统的静止质量之差（即质量亏损）为270()()0.03110D T He n m m m m m -∆=+-+=⨯kg在核反应中，与质量亏损相对应的静止能量的减少量即为动能增量，也就是热核反应释放的能量．2120 2.79910K E m c -∆=∆=⨯J1kg 这种核燃料所释放的能量为143.3510K D TE m m ∆=⨯+J/kg 燃烧1kg 优质煤放出的能量约为72.9310⨯J ，还不足这一热核反应释放出的能量的千万分之一． 四、相对论能量与动量的关系由质能关系式可知22202(1)v m m c -= 等式两边同时乘以4c ，并整理可得24222240m c m v c m c =+ 由于m =p v ，上式可写成为2222220()()mc p c m c =+即22220E p c E =+ （5-19）这就是相对论的能量与动量的关系式．这也是相对论最重要的结论之一，在高能物理的研究中具有非常重要的意义．。