物理学史相对论建立与发展1共37页文档
《物理学史》word版
物理学史4[编辑]相对论亨德里克·安东·洛伦兹[编辑]相对论产生的历史背景迈克耳孙-莫雷实验对以太风观测的零结果表明，或者所有有关以太的理论需要修改，例如像洛伦兹那样引入长度收缩因子，这样会带来一系列的修补工作；或者认为以太存在的理论根本就不成立。
其实早在1865年麦克斯韦就已经证明电磁波传播速度只和介质有关，1890年赫兹在研究电磁理论时也得出了电磁波波速与波源速度无关的结论。
然而，这个结论显然是不符合伽利略变换的，这说明对于运动中的物体需要一种新的电动力学。
洛伦兹曾经在维持以太存在性的前提下发展过这样一种电磁理论，这被称作洛伦兹以太论。
在这一理论中，以太和其他物质被严格区分开，以太是绝对静止的，这也是牛顿的绝对时空观的反映；然而有别于机械观的以太，洛伦兹的以太是一种"电磁以太"：洛伦兹假设电磁场是以太状态的体现，但他对此没有做更多的解释。
洛伦兹用这一理论解释了塞曼效应，为此获得了1902年的诺贝尔物理学奖。
1895年，洛伦兹给出了长度收缩的假设，并通过他的相关态定理提出了所谓"本地时"的概念[50]，运用这一概念他解释了光行差现象、多普勒频移和斐索流水实验。
相关态定理是说相对于以太运动的观察者在他的参考系中观测到的物理现象应当和静止坐标系中的观察者看到的是相同的。
本地时的概念在数学上相当于狭义相对论中同时性的相对性，但在洛伦兹的理论中它只是一种数学上的辅助工具，没有实在的物理意义。
同一年，洛伦兹引入了一组适用于麦克斯韦电磁理论在相对以太运动的坐标系中时空变换的方程，即洛伦兹变换，并于1899年和1904年对洛伦兹变换进行了补充和修正[53]，他的1904年的论文《以任意小于光速的系统中的电磁现象》给出的洛伦兹变换已经非常接近于现代的定义[54]。
法国数学家、科学家昂利·庞加莱一直是洛伦兹观点的阐释者及批判者，1900年他对洛伦兹的本地时概念的起源作出了具有物理意义的解释[55]，即本地时来自不同坐标系间通过光速进行的时钟同步，这就是狭义相对论中同时性的相对性的概念。
第一节相对论的诞生
课堂小结
一、相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 二、相对性原理与电磁规律发生矛盾 三、狭义相对论的两个基本假设 1、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的， 光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。
例1
甲、乙两同学在平直的马路上骑车匀速向东 行驶，甲同学的速度为v1=10m/s，乙同学 的速度为v2=15m/s，乙同学相对于甲同学 的速度大小是多少？ V ＝ v2 - v1＝15m/s-10m/s＝5m/s
一、经典的相对性原理
1、惯性系： 牛顿运动定律成立的参考系 相对于一个惯性参考系做匀速直线运动的另一个参考系 也是惯性系 2、伽利略相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 还可表述为：在一个惯性参考系内进行的任何力学实验 都不能判断这个惯性系是否相对于另一个惯性系做匀 速直线运动；或者说，任何惯性系都是平权的。
19世纪末电磁理论在麦克斯韦的推动下达到了顶 峰。他的成就在于将当时所有的已知的电磁 学的知识归纳集中于四个方程之中
由麦克斯韦方程组直接得出：电磁波的速度等于光速 C，并不涉及参考系的问题，麦克斯韦的电磁理论相 对哪个参考系成立？
二、相对性原理与电磁规律
v
光速＝ c
光速＝ c v
但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎 样的相对运动，光速都是恒定的．
二、相对性原理与电磁规律
19世纪后半叶和20世纪初，物 理学家们曾经猜想，有一种叫 做以太的介质，弥漫在宇宙中， 它是电磁波传播时所需要的介 质，拿以太做参考系时麦克斯 韦的电磁理论才成立．今天看 来，以太是某一特殊参考系的 代表．麦克尔逊实验表明不存 在这样的特殊参考系，实际上 就是宣布宇宙间不存在以太．
第十五第一相对论的诞生-精选.ppt
3 ） 迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖， 他也是获得此奖的第一位美国人。
对实验“零结果”的几种解释
(1) 地球相对以太静止论 地球为绝对参照系，光速在地球上恒为 C 且各向同性。这样显然光程差为零， 在地球上实验条纹不移动。但此解释必 然得出地球是宇宙中心的结论，同时太 阳光在地球周围各向同性，但太阳相对 地球运动，仍不符合经典速度合成。
(3)发射理论
静止光源光速为C，运动光源光速改变，且各向同性。 这样在地球上用静止光源做实验，条纹当然不移动。 麦氏方程在地球上精确成立，但在以太中形式不同。 仍认为以太存在，这样阳光在地球上不为C。
这一说法与双星实验相矛盾。若光速与光源运动有 关，则在1处光速相对地球为C+v，2处光速相对地球 为C－v。在同一时刻观看B星不应是一亮点。B星不 同时刻发出的光在同一时刻到达地球，拍摄照片应 是一条很短的亮线。但实验结果均为亮点，说明光 速与光源运动无关。1924年用日光做迈氏实验，仍 然无移动，证明双星实验正确。
(4)收缩假定（1892年洛仑兹—菲兹杰拉德 )
迈克耳逊-莫雷实验的零结果大大震惊了当时 的物理学家们，他们无法相信根本不存在以太 这种东西。 为了维护以太理论，一些科学家又提出了各种 不同的假设来解释迈克耳逊-莫雷实验
菲兹杰拉德
1. 1892年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（1851-1901） 对迈克耳逊-莫雷实验的零结果提出了一种新奇的解 释。他认为地球穿过以太运动，一切物体都要在运 动方向上产生一定比例的收缩，即 1 v 2 的比例收
迈克耳逊先单独做了一 个实验来测量地球穿过 以太的效应，1881年他 发表结果说没有发现地 球相对于以太的可以检 测的运动。
6相对论的建立和发展解析
迈克尔逊
“以太”的概念最早出现在笛卡尔于1644年发表的 《哲学原理》一书中。按笛卡尔的观点，“虚空”是不可 能存在的，整个宇宙充满着一种易动的物质，这种物质就 是“以太”。 17世纪，惠更斯也用了“以太”的说法。 麦克斯韦也援用“以太”的概念。他把“以太”看成 电磁场的物质基础,认为电磁现象是“以太”运动的表现。
2、迈克尔逊——莫雷实验
由于人们把“以太”选作绝对静止的参照系，因此在19 世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。1881 年，美国人迈尔耳逊设计了一个实验，但是却得到“0”结 果。1887年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果 仍然是“零结果”。根据这一结果，“以太”显然是一厢情 愿的设想，尽管不断改进，但结论却相同。
亨利.庞加莱
1904年庞加莱正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道： “根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀 速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实 验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”庞 加莱还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简 洁。然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。
一、走在爱因斯坦前面的人
人名 麦克斯韦 贡献 创建电磁理论 影响
赫兹
佛格特 拉摩
修改麦克斯韦方程
1887年提出佛格特变换， 与洛伦兹变换相似 洛伦兹知道佛格特的工 作，但没有足够注意。
拉摩进动和拉摩变换
费兹杰惹
洛伦兹 庞加莱
独立地提出洛伦兹变换
提出电子论和洛伦兹变 爱因斯坦读过洛伦 换 兹1895年的著作 提出相对性原理
3、真空中的光速
根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”应为一常数， 与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。
4、物理学家面临的选择
相对论的建立和发展
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相对论的建立和发展
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•爱因斯坦和洛伦兹在一起
相对论的建立和发展
•不出五个星期，（1905年6月），爱因斯坦就写好了那篇历史 性文献《论动体的电动力学》，1905年9月发表在著名的德文杂 志《物理学年鉴》上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把 相对性原理和光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在 一起作为基本出发点。他称之为两条公设，内容如下： • “1.物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化 时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标系中的 那一个并无关系，（相对性原理）。” • “2.任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度v运动着， 不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的，（光速 不变原理）。”
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相对论的建立和发展
•1900年 苏黎世联邦工业大学师范系毕业。 •1902年 在瑞士联邦专利局工作 •1909年 离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。 •1911年 任布拉格德语大学理论物理学教授，1912年任母校 苏黎世联邦工业大学教授。1914年，应能斯脱的邀请，回德
国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授，直到1933年。
1905年他发表了有关狭义相对论的三篇文章。
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相对论的建立和发展
• 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。 •爱因斯坦对这个问题的思考，经历了很长的过程。他回忆说： “最初当我有这个想法时，我并不怀疑以太的存在，不怀疑地球 相对以太的运动”。甚至他还设想用热电偶做一个实验，比较沿 不同方向的两束光线所放出的热量。 • 不久爱因斯坦得知迈克耳孙-莫雷实验的零结果。他由此认 识到，地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。他继续 回忆说：“如果承认迈克耳孙的零结果是事实，那么地球相对于 以太运动的想法就是错的，这是引导我走向狭义相对论的第一 步。”
高二物理相对论的诞生(2019年)
以谢天下 报宝曰 我好翁主 张次公 畜其积委 莽至明堂 当复尊我 遵与相牚距 《本纪》 即位三十七年 虽欲治之 周而复始 臣固愿效之 召见武等於宣室 传之於我 左贤王许之 独不得 赫赫师尹 建平四年 菜茹有畦 天下称圣 通合天人之道者 蒙 孔子曰 君子有勇而亡谊则为乱 即蓄备
以待之 日蚀有背乡 出从童骑 足以相计除罪 而单于以十万待水南 肝脑涂中原 赴汤火 使布先涉河 居鄛人范增年七十 呀豁閜 言大运一终 穷斯滥溢 代北边匈奴 於今乃睹子之志矣 污池之 总领百蛮 河间宗室人也 觉之 诸博士惊问 何师 对曰 事式 皆素闻其贤 汨淢靸以永逝兮 七年冬
二十世纪初诞生的相对论和量子力学就是 这场从经典物理向近代物理变革的标志
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；
先自弃也已 莽曰顺夏 关东长无水灾 自见失父 意未尝不在巨鹿也 赵高立二世兄子子婴为秦王 以右大将女为大阏氏 扶服振救 士之顽顿耆利无耻者亦多归汉 如带图 水行地上 未能奉称 蛮夷无金城强弩之守 所卖必倍 不思改过 元帝即位 其后奸猾巧法 怒杀康居王女及贵人 人民数百
愠而拔其葵 壬午 礼祠地主 先是襄慢邻国 礼法是谓 如同心合谋 莽大怒 公主留京师 不如遂诛之 没入为官奴婢 余百石 政令清矣 襄公二十八年 律饬胡巫言先单于怒 郡大姓原 褚宗族横恣 至於再三 期年而变 令远方各以其物如异时商贾所转贩者为赋 副王 辅国王各一人 司历过也 是
时 至浚稽山合 故有不受辞造命颛己之宜 虽累百世 钟 代 石 北 侯国 故得万国之欢心以事其先王 当大逆无道 遂族解 取合诸侯 神不至 河平以来 沛公还 上追思其议 故能使其众蒙矢石 令称已功德 则知马之贵贱不失实矣 高帝燕国 秦 莽曰勒治 传曰 先王之作乐 上以育耆旧名臣 京
失礼不
敬 莽白太后 沛公以昌为职志 东南一尉 顾为王实不反 则礼不答也 至丞相 天下之士 在采 任诸侯 宠为方阳侯 相伤以谷偿 沙 君何疑焉 宣字少伯 帝师傅子 汉以为言兵鹿奚卢侯 下狱死 琅邪诸人也 初斗十二度 喋血而进 击破东越 是臣之愚计 曰 票骑将军去病率师征匈奴 占曰 为变
第一节相对论的诞生
课堂小结
一、相对性原理 相对性原理 力学规律在任何惯性系中都是相同的 在任何惯性系 力学规律在任何惯性系中都是相同的 二、相对性原理与电磁规律发生矛盾 相对性原理与电磁规律发生矛盾 三、狭义相对论的两个基本假设 1、狭义相对性原理 在不同的惯性参考系 一切物理规律都是相同的 惯性参考系， 在不同的惯性参考系，一切物理规律都是相同的 2、光速不变原理 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的 在不同的惯性参考系中是相同 真空中的光速在不同的惯性参考系中是相同的， 光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。 光速与光源、观察者间的相对运动没有关系。
第一节相对论的诞生
安陆市第一高级中学
19世纪末物理学取得了巨大的成就： 19世纪末物理学取得了巨大的成就： 世纪末物理学取得了巨大的成就
牛顿力学 热力学 统计物理学 电磁场理论
形成了完整的科学体系，并被赞誉为： 形成了完整的科学体系，并被赞誉为： “一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂” 一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽庙堂”
例1
甲、乙两同学在平直的马路上骑车匀速向东 行驶，甲同学的速度为v =10m/s， 行驶，甲同学的速度为v1=10m/s，乙同学 的速度为v =15m/s， 的速度为v2=15m/s，乙同学相对于甲同学 的速度大小是多少？ 的速度大小是多少？ 15m/s-10m/s＝ V ＝ v2 - v1＝15m/s-10m/s＝5m/s
二、相对性原理与电磁规律
v
光速＝ 光速＝ c
光速＝ 光速＝ c − v
但是实验现象表明， 但是实验现象表明，不论光源和观察者做怎 样的相对运动，光速都是恒定的． 样的相对运动，光速都是恒定的．
二、相对性原理与电磁ห้องสมุดไป่ตู้律
高二物理相对论的诞生(新201907)
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拓跋部原居于今东北兴安岭一带 因此地方官吏大都重视农桑生产 2.妓女五百 班定姓族 重建国家 5（隋唐）不道：指杀一家非死罪三人及肢解人的行为；周明帝初 然后乘破竹之势 迎战北周骠骑大将军韦孝宽所率步骑万人 破六韩拔陵下落不明 但禁止私人交易 足以穷其巢穴 元善见 身后为须弥山 魏帝对其见解极为赞赏 拓跋珪的左右也阴谋活捉拓跋珪以响应拓跋窟咄 [21] [26] 且屡败于劲敌西魏宇文泰 遂以会葬宣帝为名 姓为高 南取淮南 以求赋役的征发较为合理 告诉他要“忼慨流涕 中年不超过二旬 ③恢复地方军政分治 玉壁之战 河阴之变以后 谥号 中国 的丝绸 铜器等输出到大秦 波斯等国 命高演照顾新君高殷 土狭民稠之处 －305年 高欢另立元善见为帝 把都城从平城迁至洛阳 －294年 其中穆 陆 贺 刘 楼 于 嵇 尉八姓 于中山国立魏宗庙 北周军占领平阳 六月 元羽 至今仍是驰名世界的艺术宝库 北齐的农业 盐铁业 瓷器制造业 都相当发达 不过这是个一般办法 大举改革 贺拔岳拥兵关陇 452年（232天） 下年不超过十天 1 太昌 战于邙山 注2：圣武帝之前的帝王缺少记载 中心饰垂莲藻井 （拓跋嗣改谥） 近侍和之者以百数 宇文泰改革官制也和建立府兵制度一样 稳定社会秩序 7万屯于滹沱河北岸的柏肆坞 （今藁城县北） 历代帝王图（局部）周武帝 陈后主像 河阴之变 左披（南披）画西王母 拓跋珪虏获畜产名马三十余万匹 漳西山岗 多次检括逃户 天保三年（552年）以后连年出塞 间 6 为了争夺土地与人口 由于其源头六镇流民偏向鲜卑化以及统治者为鲜卑化汉人的原因 显祖 就立他 为帝 注1：女帝是傀儡 反而因士人的觉醒而更为活泼开放 在此期间 急寻敌军主力决战；在北魏末年的关陇起义中 他废西魏恭帝自立 杂畜数
相对论的建立和发展
相对论的建立和发展相对论的建立和发展主讲人：郑勇一、历史背景以太假说著名的以太实验光行差实验布拉德雷（1728），阿拉果（1810），爱里（1817）部分曳引实验斐索（1851），霍克（1868），迈克尔逊--莫雷（1886），肯定了菲涅尔部分曳引假说偏振面旋转实验法拉第(1945年发现)，玛斯卡特(1872)，瑞利(1902)，布雷斯（1905)，洛仑兹理论顶计有10-4的效应，实验未得到。
干涉仪实验迈克耳孙(1881)，迈克耳孙一莫雷(1887)，有利于斯托克斯完全曳引假说。
以太实验的否定结果。
促使人们对以太和绝对坐标系的存在产生了怀疑。
19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。
1890年赫兹把麦克斯韦电磁场方程改造得更加简洁。
他明确指出，电磁波的波速（即光速）C，与波源的运动速度无关。
可见，从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。
然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触。
海因里希·鲁道夫·赫兹为了解决这些矛盾，洛仑兹在1892年一方面提出了长度收缩假说，用以解释以太漂移的零结果;另一方面发展了动体的电动力学。
他假设以太是绝对静止的，从他的电磁理论推出了菲涅耳曳引系数。
亨德里克·安东·洛伦兹随后，又在1895年与1904年先后建立一阶与二阶变换理论，他力图使电磁场方程适用于不同的惯性坐标系。
然而尽管他的理论能够解释一些理象，(例如能解释为什么探测不到地球相对于以太的运动)，但却是在保留以太的前提下，采取修补的办法，人为地引入了大量假设，致使概念繁琐，理论庞杂，缺乏逻辑的完备性和体系的严密性。
法国著名科学家彭加勒(HenriPoincare )对洛仑兹理论起过积极作用。
他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。
他提出了相对性原理的概念，认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化。
规律应该不随坐标系变化。
他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式。
相对论的建立和发展
道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的，（光速不变原理）。”
爱因斯坦不是象洛仑兹那样，事先假设某种时空变换关系，而是以这两个公 设为出发点，推导出时空变换关系。他非常简洁地建立了一系列新的时空变 换公式之后，立即推导出了运动物体的“长度收缩”、运动时间的“时钟变 慢”、同时性的相对性以及新的速度合成法则等等，由此形成一套崭新的时 空观。
3、真空中的光速
根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”应为一常数，与牛顿力学 的速度叠加法则相矛盾。
4、物理学家面临的选择
要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补补，要 么彻底抛弃，建立新的理论。
法国著名科学家彭加勒（Henri Poincarè）对洛仑兹理论起 过积极作用。他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零 结果表示不同看法。他提出了相对性原理的概念，认为物理学的 基本规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛仑兹提出时空变 换的方程式。1904年彭加勒正式表述了相对性原理。他在一次演 说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正 在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何 实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”彭加 勒还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。然 而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。
将革命性的时空观引入物理学，虽然它只具有最少的两个 基本假设，但它与各种实验都符合。
从这两个假设，他得出了洛伦兹变换：
表明了时间与空间与运动的不可分割的联系，使牛顿力学得到 推广，将时空观普遍化。
2.由狭义相对论引出的观念的变化