物理学史6.3 狭义相对论被人们接受的经过
狭义相对论简介
狭义相对论简介狭义相对论是一种描述物理学中时间、空间和引力的理论，由爱因斯坦于1905年发表。
它是现代物理学中最重要的理论之一，也是人类文明史上最伟大的科学成就之一时间与空间狭义相对论基本假设是：光速在真空中的传播速度是不变的，在任何惯性参考系中都是相同的，为c。
这导致了一些非常奇怪的结论。
首先，时间和空间不再是绝对的概念。
它们取决于观察者的运动状态。
例如，如果有两个事件在同一地点发生，一个静止观察者会认为它们发生在同一时间，但是一个以高速运动的观察者会认为它们发生的时间是不同的。
这就是所谓的时间相对论效应。
同样地，空间也会受到相对论效应的影响。
一个静止观察者看到的长度可能与一个运动观察者看到的长度不同。
这称为长度收缩。
质量与能量狭义相对论还改变了我们对质量和能量的理解。
根据经典物理学，物体的质量是恒定的，而能量是可以转化的。
但是，在相对论中，质量和能量是等价的。
这就是著名的E=mc2公式，其中E是能量,m 是物体的质量。
在高速运动中，物体的质量会增加（称为质量增加效应），因此需要更多的能量才能使其达到光速。
实际上，物体永远无法达到或超过光速，因为它需要无限的能量来达到这个极限。
引力最后，狭义相对论还改变了我们对引力的理解。
根据牛顿万有引力定律，物体之间产生引力的原因是它们的质量。
但是，在相对论中，引力被视为时空弯曲的结果。
这就是所谓的广义相对论，是爱因斯坦于1915年发表的。
通过将时间和空间视为弯曲的四维时空，物体的运动路径就不再是直线，而是遵循弯曲时空的规则。
这也导致了一些非常奇怪的现象，例如黑洞和引力透镜等。
光速不变原理狭义相对论的一个基本假设是光速不变原理，即在任何惯性参考系中，光速都是恒定且一致的。
这个假设经过了许多实验的验证，例如米歇尔逊-莫雷实验。
因为光速不变原理，在高速运动中，时间和空间会发生相对论效应，例如时间膨胀和长度收缩。
这些效应是非常微小的，只有在物体接近光速时才会显著影响其运动状态。
物理学史相对论的建立与发展.PPT
2.3 狭义相对论被承认和接受的过程
由于人们的思想长期受到传统观念的束缚，一时难于接受 崭新的时空观，爱因斯坦的论文发表后，在相当长的一段时间 内受到冷遇，被人们怀疑甚至遭到反对。
在法国，直到1910年几乎没有人提到爱因斯坦的相对论。 在实用主义盛行的美国，最初十几年中也没有得到认真对待。 迈克耳孙至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”，认为相 对论是一个怪物。英国也不例外，在人们的头脑里以太的观念 太深了，相对论彻底否定以太的必要性，被人们看成是不可思 议的事。当时甚至掀起了一场“保卫以太”的运动。J.J.汤姆 逊在1909年宣称：“以太并不是思辨哲学家异想天开的创造， 对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少”。
但是，直到19世纪还没有一个实验能直接证明以太的存在。 以太漂移实验给出了否定结果。这些结果促使人们对以太和绝 对坐标系的存在产生怀疑。
1.2 收缩假说的提出
迈克耳逊-默雷实验的零结果发表后，爱尔兰物理学家费 兹杰惹立即进行了思考。1889年，他向英国《科学》杂志投 稿，写到：“唯一可能协调这中对立的假说就是要假设物体 的长度回发生变化，其改变量跟穿过以太的速度与光速之比 的平方成正比。”
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2.2 爱因斯坦建立狭义相对论的过程
早在16岁（1895年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题： “如果我以速度c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这样 一条光线就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是 依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”这 是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。
然而，由于《科学》杂志不久就停刊了，这篇稿件虽然发 表但却鲜为人知，连费兹杰惹本人也不知道这篇稿件是否问 世。两年后，费兹杰惹去世，只是由于他的学生特劳顿多次 提到他的工作，人们才知道他比洛伦兹更早就提出了收缩假 说。
大一狭义相对论知识点总结
大一狭义相对论知识点总结引言狭义相对论是德国物理学家爱因斯坦提出的一种理论物理学理论。
它首先通过爱因斯坦在1905年提出的特殊相对论治疗，引起了物理学家和数学家的广泛兴趣。
特殊相对论的提出，颠覆了牛顿力学对于时间和空间的观念，揭示了新的科学世界。
狭义相对论主要关注的是质点的运动，在匀速直线运动的参考系中，物体的质量与速度之间存在着简单的关系。
这一理论不仅在理论物理学领域引起了巨大的影响，也在实用物理学和工程学中具有重要的应用价值。
下面将围绕狭义相对论的基本概念、数学公式以及实际应用等方面进行详细的介绍。
基本概念相对论的提出突破了以往对于时间和空间的观念，提出了新的物理学理论。
其中最重要的概念之一就是“相对性原理”，它指出物理定律在所有惯性系中都相同的性质。
即使在不同的参考系中，物理定律也是不变的，这就是相对性原理的核心。
在相对论中，时间和空间也都不再是绝对的，而是与观察者的参考系相关的。
因此，相对论是一种与经典力学有着根本区别的物理学理论。
在特殊相对论中，另一个重要的概念是“光速不变原理”，它指出在任何惯性系中，光速都是一个恒定不变的值。
光速的不变性使得时间和空间的测量都变得相对而言，这也是狭义相对论与牛顿力学最大的不同之处。
数学公式狭义相对论涉及到了一些重要的数学公式，这些公式揭示了时间和空间的相对性质。
其中最重要的一条公式就是爱因斯坦提出的质能关系公式，它表示了质量和能量之间的等价关系，在相对论中，质量并不是一个不变的量，不同的观察者会测得不同的质量值。
而质能关系公式则揭示了质量与能量之间的等价关系，它可以用来描述物质的能量转化过程，是狭义相对论中的核心公式之一。
另外，相对论中还有着动量和能量之间的关系，这一点也揭示了物理量在不同惯性系中的变化规律。
总的来说，相对论的数学公式揭示了时间和空间的相对性质，揭示了一种新的物理学理论。
实际应用相对论不仅在理论物理学领域具有重要的理论意义，也在实际的科学研究和工程应用中发挥着关键作用。
狭义相对论
由洛仑兹变换得 为简明起见，假设某一过程发生在 约 定坐标系的 系原点，而且，当两坐标 系原点重合 时 过程开始 。 即 到过程结束时， 系测得所经历的时间为 故 其中 固有时间 原地结束 系观察此过程在 处结束， 结论： 非固有时间大于固有时间。 所经历的时间为非固有时间 位移 即，非固有时间相对于固 过程结束
不是一个亮点，而是 一个亮弧。 一是测量伴星相继两次通过B点所经历的时间；二是测量伴星由B运动到B 所经历的时间（半周期）乘二。两种方法测所得结果并不相等，这是因为在 第二种方法中， 路程 B E B E 但光速 信号传送所需时间不同。 宇宙中存在大量这种物理双星，有些甚至肉眼也能分辨。 精密的天文观测表明，双星的像是很清晰的两个光点，没有 E 天文台 发现亮弧现象。而且两种方法测周期的结果一样。这只能用 光速与光源运动状态无关的观点，才能得到圆满的解释。
在物理学史上企图发现 “以太” 曾作过许多努力（如：斐索实验、光 行差测量、双星周期测量以及麦克耳孙-莫雷精密的光干涉实验等），但 没有成功，最精密的实验所测到的也是“零结果”。
爱因斯坦的观点：
相信自然界有其内在的和谐规律。
（必定存在和谐的力学和电磁学规律。）
相信自然界存在普遍性的相对性原理。
（必定存在更普遍的相对性原理，对和谐的力学和电磁学规律都适用。）
0.357 0.988
0.9 0.8
不能用伽利略速度合成
（反
向）
不计重力只考虑X方向运动 已知 相对于 的速度为
速度例二 ，设两球发生完全非弹性碰撞
，用相对论观点
若
测得两球粘合时的速度为
粘合
直接应用洛仑兹速度变换式
的大小、方向 取决于 值
删节告示
为大纲删节内容
大学物理上册课件：第6章 狭义相对论
例题6-8 带电π介子静止时的平均寿命为2.6×10 – 8 s，某加 速器射出的带电π介子的速率为2.4×10 8 m/s，试求1）在实验室 中测得这种粒子的平均寿命；2）这种π介子衰变前飞行的平均 距离。
解 1） 由于u = 2.4×10 8m/s＝0.8c，故在实验室中测得
这种π介子的平均寿命为：
1 2
Δx Δx uΔt
1 2
Δt uΔx / c 2 Δt
1 2
1、不同地事件的同时性是相对的。
Δx Δx uΔt
1 2
Δt Δt uΔx / c2
1 2
Δx uΔt Δx
1 2
Δt uΔx / c2 Δt
1 2
即x 0, t 0时 ，t ux / c2
二、洛仑兹变换
惯性系S、S ′，在 t = t ′= 0时，原点重合，S ′以u 相对 S 系沿
x 轴正向匀速运动。某事件P，在 S 和S ′系中的时空坐标分别为：
y
y
S : P(x , y , z ,t ) S : P( x', y', z', t' )
S
S
u •P(x, y, z, t)
(x, y, z, t)
解 取速度为－ 0.9c 的飞船
为S 系，地面为S ′系。
u = 0.9 c v′ x = 0.9 c
y S
y 0.9c
Sx
O
0.9c x
vx
vx u 1 uvx / c2
0.9c 0.9c 1 0.9 0.9
0.994c
说明 洛仑兹变换中 vx 0.994c,这和伽利略变换的结果
vx v'x u是不1同.8的c 。
《狭义相对论的基本原理》 知识清单
《狭义相对论的基本原理》知识清单一、狭义相对论的背景在 19 世纪末，经典物理学在解释许多物理现象时遇到了困难。
比如，麦克斯韦方程组预言了电磁波的存在，并得出电磁波在真空中的速度是一个常数。
但按照经典力学的速度叠加原理，不同惯性系中测量的光速应该是不同的，这就产生了矛盾。
同时，在研究高速运动的微观粒子时，经典物理学的理论也无法给出准确的描述。
正是在这样的背景下，爱因斯坦提出了狭义相对论，对经典物理学进行了重大的修正和拓展。
二、狭义相对论的两个基本原理1、相对性原理相对性原理指出，物理规律在所有惯性系中都是相同的。
这意味着无论我们处于哪个匀速直线运动的惯性参考系中，进行物理实验所得到的结果应该是一样的。
打个比方，如果在一个匀速直线运动的火车厢里做一个物理实验，比如测量小球的下落轨迹，同时在地面上也做同样的实验，只要忽略外界的影响，两个实验的结果应该是相同的。
这就打破了牛顿力学中绝对空间和绝对时间的观念，因为在牛顿力学中，存在一个绝对静止的参考系，而相对性原理否定了这种绝对的参考系。
2、光速不变原理光速不变原理是指真空中的光速在任何惯性系中都是恒定不变的，与光源和观察者的相对运动无关。
假设一个光源向各个方向发出光，无论观察者是静止的还是以一定速度运动，他们测量到的光速都是相同的。
这与我们日常生活中的经验似乎相悖，因为当我们观察一辆行驶中的汽车发出的声音时，声音的速度会因为观察者和汽车的相对运动而有所不同。
但对于光，情况却完全不同，光速始终保持不变。
三、洛伦兹变换为了从数学上描述狭义相对论中的物理量在不同惯性系之间的变换关系，引入了洛伦兹变换。
洛伦兹变换取代了经典力学中的伽利略变换。
在低速情况下，洛伦兹变换可以近似为伽利略变换，但在高速情况下，两者的差异就变得非常显著。
通过洛伦兹变换，可以得到时间和空间的坐标在不同惯性系之间的关系。
比如，一个事件在一个惯性系中的时间和空间坐标，通过洛伦兹变换可以计算出在另一个惯性系中的相应坐标。
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与实验验证
狭义相对论的基本原理与实验验证狭义相对论，由爱因斯坦于1905年提出，是现代物理学的重要理论之一。
它在描述高速相对运动物体时，对于时间、空间和质量的变化提供了全新的视角。
本文将从狭义相对论的基本原理、实验验证、应用及其他专业性角度等四个方面对该理论进行详细解读。
首先，我们来了解狭义相对论的基本原理。
狭义相对论的基本原理包括两个关键概念：相对性原理和光速不变原理。
相对性原理指出自然法则在任何相互匀速运动的参考系中都是相同的，即无法通过相对运动来测定自身的运动状态。
光速不变原理指出光速在任何参考系中都是不变的，不受光源或观测者速度的影响。
这两个原理对于重新定义时间、空间和质量的观念提供了基础。
为了验证狭义相对论的理论，科学家们进行了许多重要的实验。
其中最著名的实验是麦克斯韦实验和麦氏-莫雷实验。
麦克斯韦实验是为了验证光速不变原理，通过测量光在不同参考系中的传播速度，结果发现光速确实在不同参考系中保持不变。
而麦氏-莫雷实验则是为了验证相对性原理，通过测量垂直于运动方向的光速是否有差异，结果也发现光速不受运动影响。
这些实验证明了狭义相对论的基本原理是正确的。
狭义相对论的应用广泛，其中最重要的应用之一是GPS导航系统。
由于GPS卫星高速运行，所处的引力场也较地球表面不同，导致时间在GPS卫星与地面接收器之间存在微小差异。
这种时间差异如果不考虑狭义相对论的修正，可能导致导航的误差。
因此，在GPS系统中需要对相对论修正进行精确计算，以确保导航定位的准确性。
除了GPS导航系统外，狭义相对论的应用还涉及到粒子物理学、核物理学以及黑洞等领域的研究。
在粒子物理学中，狭义相对论对高能粒子的运动轨迹和反应过程提供了重要的理论基础。
在核物理学中，狭义相对论揭示了质能关系的实质，即E=mc²，它将质量与能量紧密联系起来。
在黑洞研究中，狭义相对论的概念和公式被用来描述黑洞的形成和属性，为进一步研究宇宙演化提供了理论依据。
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6.3狭义相对论被人们接受的经过
由于人们的思想长期受到传统观念的束缚，一时难于接受崭新的时空观，爱因斯坦的论文发表后，相当一段时间受到冷遇，被人们怀疑甚至遭到反对。
在法国，直到1910年几乎没有人提到爱因斯坦的相对论。
在实用主义盛行的美国，最初十几年中也没有得到认真对待。
迈克耳孙至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”，认为相对论是一个怪物。
英国也不例外，在人们的头脑里以太的观念太深了，相对论彻底否定以太的必要性，被人们看成是不可思议的事。
当时甚至掀起了一场“保卫以太”的运动。
J.J.汤姆生在1909年宣称：“以太并不是思辨哲学家异想天开的创造，对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少”①。
1911年美国科学协会主席马吉（M.F.Magie）说：“我相信，现在没有任何一个活着的人真的会断言，他能够想象出时间是速度的函数。
”被爱因斯坦誉为相对论先驱的马赫，竟声明自己与相对论没有关系，“不承认相对论”。
有一位科学史家叫惠特克（S.E.Whittaker）在写相对论的历史时，竟把相对论的创始人归于彭加勒和洛仑兹，认为爱因斯坦只是对彭加勒和洛仑兹的相对论加了一些补充。
爱因斯坦是1922年获诺贝尔物理奖的。
不过不是由于他建立了相对论，而是“为了他的理论物理学研究，特别是光电效应定律的发现”。
诺贝尔物理奖委员会主席奥利维亚（Aurivillus）为此专门写信给爱因斯坦，指明他获奖的原因不是基于相对论，并在授奖典礼上解释说：因为有些结论目前还正在经受严格的验证。
普朗克和闵可夫斯基（H.Minkowski）可以说是支持相对论的代表。
正是普朗克，当时作为《物理学年鉴》的主编，认识到爱因斯坦所投论文的价值，及时地予以发表。
所以人们常说，普朗克有两大发现，一是发现了作用量子，二是发现了爱因斯坦。
他的学生劳厄在1911年就致力于宣传相对论，大概也是受了他的影响。
闵可夫斯基本是爱因斯坦的老师，1908年发表《空间与时间》一文，把空时-时间合并成四维空间，重新处理了相对论的基本方程，把洛仑兹变换看成是空间-时间四维坐标的变换。
这样就可以使相对论的规律以更加简洁的形式表达出来。
关于狭义相对论受人们怀疑和反对的情况，可以举电磁质量的实验检验来作些说明（注）。
狭义相对论有一重要结果，就是预言电子质量会随运动速度增长。
从经典电磁理论出发也可以得到类似的结论，因为运动电荷会产生磁场，电磁场的能量增大，相当于质量也增大。
经典电磁理论家阿伯拉罕（M.Abraham）假设电子是一个有确定半径的钢性带电小球，它在运动中产生的磁场引起电磁质量，由此推出了电子的质量公式。
1901年，实验物理学家考夫曼用β射线的高速电子流进行实验，证实电子的质量确实是随速度变化的。
洛仑兹到1904年则根据收缩假说也推出了电子质量公式。
后来证明洛仑兹公式与狭义相对论的结果一致。
1906年，考夫曼宣布，他的量度结果证实了阿伯拉罕的理论公式，而“与洛仑兹-爱因斯坦的基本假定不相容”。
这件事一度竟成了否定相对论的重要依
据。
在这一事实面前，洛仑兹失望了，他表示，“不幸我的电子变形假说与考夫曼的新结果矛盾，我只好放弃它了。
”①
然而，爱因斯坦却持另一种态度，他在1907年写文章表示，相信狭义相对论是经得起考验的，在他看来那些理论在很大的程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符。
果然，一年后布雪勒（A.H.Bucherer）用改进了的方法测电子质量，得到的结果与洛仑兹-爱因斯坦公式符合甚好。
以后许多实验都证明，狭义相对论的结果是正确的。
可是，观念的改变不是一朝一夕之事。
1911年索尔威会议召开，由于爱因斯坦在固体比热的研究上有一定影响，人们才注意注参看5.2.3节。
到他在狭义相对论方面的工作。
只是到了1919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众注目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。
① S.Goldberg，HSPS，vol.2（1970），p.88.
① ler，Einstein′s Special Theory of Relativity，Addison-Welley，1981。