1、本章题头,本章的基本问题:1、经典时空观的内容是什么?2、爱因斯坦为什么要提出新时空观？3、新时空观又有那些内容？4、根据新时空观可以推出哪些重要结论？,经典时空观认为时间和空间是独立变化的参量，时间和空间的测量与观察者的运动没有关系。 时间、空间、运动在经典时空中是分割的，没有体现出他们的联系,质量是和运动无关的常量。,1、经典时空观的内容是什么?,不同参照系中时间间隔和空间隔分别相等,在两个惯性参考系（相互为匀速直线运动的参考系）S和S中观察两个物理事件的时间间隔和空间间隔：,谁是谁非,电磁学规律,规律不相同,伽利略变换,有一对带正电的粒子在实验室中静止，其间距为d，实验室中静止的观察者看
2、来，每个粒子受到一个电斥力，没有磁力存在，另一个以速度 向右匀速运动的观察者看来，每个粒子相对他在运动， 因此它们之间除了电斥力外，还应有相互吸引的磁力。如果作用 在 q上的 合力，对两个观察者而言是相同的，那么，因为,电斥力 一定比 大；若进一步认为电荷是不变的，则两个观察者看到的电场必定不相等。,经典时空观失败,爱因斯坦对此问题作了深入研究,大胆抛弃经典时空观,提出了两条假说,作为狭义相对论的两条基本原理,迈-莫实验,R,续8,相对速率,寻找 “以太” 失败实例,双星周期的测量:,伴星B绕A,B的质心旋转。,按伽利略变换,地球S上测得双星的半周期在伽利略变换下应为,因此测全周期应为,！？,
3、如果认为光速与光源（或接收器）是否运动没有关系，问题便得以解决。,若直接测全周期,双星周期的测量再一次证实了光速不变性，肯定了伽利略变换式必须修改！,面对电磁学规律不满足伽利略相对性原理有三条路,1) 坚持经典时空观, 但对电磁学规律进行修正,发射假设,2) 伽利略变换作修正,洛仑兹: 收缩假设,3)建立全新的时空观,爱因斯坦: 狭义相对论,拖带理论: 为解释迈克耳逊干涉实验的结果, 有人提出, 由于以太很轻, 所以地球在自转时带着以太一起运动, 因而它们相对静止, 所以观察不到相对以太的运动.,拖带理论,发射假设: 有人提出光相对于光源的速度是c, 由于光源随地球一起运动, 并与仪器相对静止
4、, 所以只能观察到光速=c.,收缩假说:,3、爱因斯坦为什么要提出新时空观？,太阳光源迈克尔孙实验 双星运行周期的观察 运动的光源和反射镜现象 肯尼迪-桑戴克实验 迈克尔孙实验 斐索运流实验 光行差现象,永磁体单极感应实验高速介子衰变实验运动电荷辐射实验普遍的质能相当实验质量随速度变化实验,以太理论,以太附着在有质物体上的理论(拖拽),发射理论,V反相对反射镜=c,V反相对于光源的象=c,狭义相对论, ,O O ,O O O O,O O O O,爱因斯坦说过，我的理论被证实过一万次也不能证明这个理论是正确的，相反，只要有一次发现是错误的，那就足以证明这个理论是错误的。,世界上最大的机器：“大型
5、强子对撞机”不仅是世界上最大的粒子加速器，而且也是世界上最大的机器。它位于瑞士、法国边境地区地下100米深的环形隧道中，隧道全长26.659公里。地球上最快的“轨道”：如果“开足马力”，数以百万计的粒子将在环形隧道内以每秒11245圈的速度“狂飙”，约等于光速的99.99%。,设在瑞士日内瓦的欧洲核子研究中心2010年30日宣布，当今世界最大粒子加速器（LHC），由CERN控制的大型强子对撞机日成功地让两束质子束流对撞，并获得7万亿电子伏特的能量，这是迄今最高能量的质子束流对撞试验。本次试验用于模拟亿年前宇宙大爆炸之后的最初状态，实验的成功将有助于科学家进一步研究宇宙的起源。,为什么需要如此大
6、的能量？-这是源于相对论的公式：,英国自然杂志网站2011年9月22日报道,欧洲研究人员发现了难以解释的中微子超光速现象,这一现象违背了爱因斯坦相对论,研究人员目前对此持谨慎态度,希望全球科学家能共同探究原因。据报道,意大利格兰萨索国家实验室下属的一个名为OPERA的实验装置接收了来自著名的欧洲核子研究中心的中微子,两地相距730公里,中微子“跑”过这段距离的时间比光速还快了60纳秒(1纳秒等于十亿分之一秒)。,参与实验的瑞士伯尔尼大学的安东尼奥 伊拉蒂塔托说,他和同事被这一结果震惊了,他们随后反复观测到这个现象1.6万次,并仔细考虑了实验中其他各种因素的影响,认为这个观测结果站得住脚,于是决
7、定将其公开。,修改相对论？,北京时间2012年2月23日消息，据美国科学杂志报道，2011年9月在意大利进行的OPERA实验宣称发现中微子速度超过光速。然而，这一“惊人发现”似乎因一个错误导致，罪魁祸首可能是GPS装置与电脑之间“接触不良”。 据熟悉此项实验的消息人士透露，提前60毫微秒似乎由连接GPS接收器(用于校正中微子飞行时间)的光缆与电脑内电子卡之间出现的接触不良所致。在测量数据穿行光缆长度所用时间时，研究人员发现数据所用时间比预计提前60毫微秒。由于这一时间从总用时中扣除，似乎能够解释中微子为何早到。不过，科学家仍需新数据证实这种假设。,两个基本假设,在一切惯性系中，所有的物理规律都
8、是相同的。,1.(1) 爱因斯坦相对性原理,不论通过力学, 电磁还是其它现象, 都无法觉察到所处的参考系的任何“绝对运动”,等价表述,“在任何惯性系中光在真空中沿任何方向的速率都相等”, 并与光源运动无关.,(2) 光速不变原理,光速不变原理的数学表达式：,O、O重合时发出光信号并开始计时。,R,洛仑兹变换,动画,光速不变的实质是全新的时空观: 1.时间和空间与物质运动密切相关. 2.时间间隔随惯性系而异.时间是相对量. 3.空间间隔随惯性系而异.空间是相对量.,约定惯性系,二、洛仑兹时空坐标变换式,变换式推导,时空坐标变换式,时空坐标平权 具有对称性,洛仑兹时空坐标变换与光速不变的逻辑关系,
9、所以：x=ct; x=ct也适用于任何物理过程,适用于任何物理过程,？,包括光传播过程 同时也包括了其他物理过程。,在推导洛伦兹变换过程中，需要确定待定系数，于是只是借用光速传播这个特殊过程，来确定，并不意味着其他物理过程也必须满足x=ct; x=ct,两个物理事件的时空间隔:,1) 已知S求S:,2) 已知S求S:,关联事件,例,A先向B开枪，过了12.5n s ， B 才向 A开枪，因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的，假如你是车中的乘客 你看见的情况是怎样的？,例、一列高速列车以0.6C的速度沿平直轨道运动,车上 A、 B两人距离 L=10m。B在车前 ，A 在车后，,当列车通过一站台时，突然发生枪战事件，站台上的人看到：,解：已知t =12.5ns x=10m, 0,问：为什么不直接用 ?,动画,由于：u c，,因果律在惯性系是绝对的。,即：,则：x0，u0。,那么: t 与t 同号!,结论：,若 x2x1，,如果两事件有因果关系：A开枪，B中弹。,代表子弹飞行速率。看t 与t 有什么关系：,若 x2 x1，,则：x0，u0。,洛仑兹速度变换,S系,S 系,根据：,得：,？,同理可证：,洛仑兹速度变换公式,已知S系的速度，求S系的速度,已知S系的速度，求S系的速度,例,
