狭义相对论的实验基础精品PPT课件

相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 开耳芬用大部分篇幅详细讨论了“第二朵乌云”。他
简单地回顾了能量均分学说产生的过程，分析了该学 说的内容和遇到的因难，他特别列表指出双原子或多 原子气体比热的理论计算值和实际观测值的距离。开 耳芬断言：“与观察的明显偏离绝对足以否证玻耳兹 曼—麦克斯韦学说”，“事实上，玻耳兹曼—麦克斯 韦学说的偏差比我们列举的还要大”，“实际不存在 玻耳兹曼—麦克斯韦学说与气体比热真实情况相符的 可能性。”
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 关于第一朵乌云，即“以太和可称量物体的相对
运动”，开耳芬回顾并分析了物理学家对这个问 题的看法。他认为，如果我们有一个令人满意的 基本的以太和物质的关系，以代替旧的使人为难 的观念——当物质原子相对于它们周围的以太运 动时，原子就要排除它们前面空间中的以太—— 那么就可以使所有现象更快地得到充分解释。
相对论的实验基础
• 1. 相对论产生的历史背景 • 参考系问题在电动力学中由于下述原因而变得更为突出： • 从电磁现象总结出来的麦克斯韦方程组，可以得到波动
方程，并由此波动方程得出电磁波在真空中的传播速度 为c。 • 按照旧时空概念，如果物质运动速度相对于某一参考系 为c，则变换到另一个坐标系时，其速度就不可能沿各个 方向都是c。从旧概念出发，电磁波只能对一个特定参考 系的传播速度为c，因而麦氏方程组也就只能对该特殊参 考系成立。
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 他在文章中极力强调两个大胆的结论：就玻耳兹
曼—麦克斯韦学说而言，使人颇为不满的是：数 学定论没有证明，实验定论也不可靠。与瑞利企 图维护玻耳兹曼—麦克斯韦学说的做法针锋相对， 开耳芬明确提出：“达到所期望结果的最简单途 径就是否认这一结论”。
相对论的实验基础
相对性原理 光速不变原理 • 4、洛伦兹变换
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 在历史跨入二十世纪的日子里，英国科学界声名显赫的元老
开耳芬勋爵，于1900年4月27日在皇家学会发表了一篇著名的 讲演（还有说，19世纪的最后一天，1899年12月31日）。 • 文章一开始，开耳芬就开门见山地写道：“动力学理论断言 热和光都是运动的方式，可是现在，这种理论的优美性和明 晰性被两朵乌云遮蔽得黯然失色了。第一朵乌云是随着光的 波动论而开始出现的，菲涅耳和托马斯·扬研究过这个理论； 它包括这样一个问题：地球如何通过本质上是光以太这样的 弹性固体而运动呢？第二朵乌云是麦克斯韦—玻耳兹曼关于 能量均分的学说。”
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 他信心十足地预言，第二朵“在十九世纪最后四分之
一时期内遮蔽了热和光分子论亮光的乌云，人们在二 十世纪初就可以使其消失。 • 在物理学史上，开耳芬勋爵索以保守著称，但是他的 这次讲演却深中肯邃，他不仅洞察到十九世纪物理学 面临的两个难题，而且还指出了较为明智的努力方向。 这固然与他的天才的直觉能力有关，恐怕也不能无视 世纪之交物理学革命洪流的冲击。
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 开耳芬十分赞同菲涅耳的观点，按照菲涅耳的静止以
太说，如果忽略地球自转和整个太阳系的运动，那么 在平行于地球公转轨道的切线上理应存在每秒三十公 里的以太流。“但是，哎呀！与该结论相抵触的事发 生了，地球大气中的以太相对于地球并不运动”，迈 克耳逊和莫雷精心完成的实验证明了这一点。“该实 验的结果可以保证是可靠的”，“无论在实验的设想 方面或实施方面，我无法看出任何缺陷”。
《电动力学》第14讲
第三章 狭义相对论 (1) §3.1 相对论的实验基础
教学体系
第1章 真空中的Maxwellห้องสมุดไป่ตู้程组
第 2章 电 磁 场 的 标 势 、 矢 势 和 电 磁 辐 射
第 3章 狭 义 相 对 论
§2.1 静 电 场 的 标 势 §2.2 静 电 势 的 多 极 展 开
§2.3 恒 稳 磁 场 的 矢 势 §2.4 讯 变 电 磁 场 的 矢 势 和 标 势 §2.5 谐 变 势 的 多 极 展 开 、 电 磁 辐 射
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 然而，斐兹杰拉德和洛仑兹各自独立地做出的
“出色建议”似乎已经摆脱了面临的困境，使得 “实验结果不能驳倒以太通过地球所占空间是自 由运动着”的结论。尽管开耳芬倾向静止以太说 并赞同收缩假说，但是他好像还是理智地认为， 这个问题依然悬而未决。他在这里对此持谨慎态 度：“恐伯我们还必须把第一朵乌云看作是很浓 密的。”
相对论的实验基础
• 1. 相对论产生的历史背景 • 物理规律需要用一定参考系表示出来。在经典
力学中，根据实践经验引入了惯性参考系。我 们知道力学的基本运动定律对所有惯性系成立。 关于电磁现象，人们从长期实践中总结出电磁 场的基本规律，在此基础上必然提出参考系问 题，即所总结出来的电磁现象的基本规律究竟 是用于什么参考系。
相对论的实验基础
• 1. 相对论产生的历史背景 • 寻找这个特殊参考系和确定地球相对于这参考系的运
动成为上世纪末物理学的一个重要课题。电磁学的进 一步发展要求解决之一问题，而当时的科学发展水平 已使得精确测量光速成为实际可能。多次试验结果都 没有发现任何绝对运动的效应，从而迫使人们接受在 真空中光速相对于任何参考系都等于c的结论。
§3.1 相 对 论 的 实 验 基 础 §3.2 狭 义 相 对 论 的 时 空 观 §3.3 相 对 论 理 论 的 四 维 形 式 §3.4 电 动 力 学 的 相 对 论 不 变 性
§3.5 相 对 论 力 学 方 程
本讲主要内容
• 1、相对论产生的历史背景 20世纪物理学上空的两朵乌云
• 2、相对论的实验基础 • 3、相对论的基本原理
相对论的实验基础
• 1.物理学上空的“两朵乌云” • 两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦
克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题。再具体 一些，指的就是人们在迈克尔逊-莫雷实验和黑体辐射 研究中的困境。至于“第二朵乌云”，指的是黑体辐 射实验和理论的不一致。 • 光以太的——引发了相对论 • 黑体辐射实验，理论与实验数据不符——引发了量子 力学。