第5章 从绝对时空观到相对论时空观.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第,5,章从绝对时空观到相对论时空观,5.1,伽利略相对性原理、经典力学时空观,一,伽利略相对性原理,二,先后顺序颠倒,5.2,相对论时空观、洛伦兹坐标变换式,一,迈克耳孙,-,莫雷实验和洛伦兹坐标变换式,二,狭义相对论时空观,三,广义相对论的创立,5.1,伽利略相对性原理 经典力学时空观,时间和长度的的绝对性是经典力学或牛顿力学的基础。,在两个相对作直线运动的参照系中，时间的测量是绝对的，空间的测量也是绝对的，与参照系无关。,这种对时间和空间的认识称为经典力学时空观。,例如，小车以较低的速度沿水平轨道先后通过点,A,和,B,。,地面上的人与车上的人测得车通过,A,、,B,两点间的距离和时间,相同。,一伽利略相对性原理,设,K,系相对,K,系以速度,u,沿,x,轴方向作匀速直线运动，,这两个参照系都是惯性系。,在两个参照系上建立直角,坐标系,当两个坐标系的原,点重合时作为计时的起点。,对任一个质点,P,在,K,系和,K,系中的坐标，在经典,力学时空观下遵从关系：,伽利略变换,这些变换关系称为,伽利略相对性原理,。,它是经典力学时空观的核心。,一伽利略相对性原理,伽利略变换,速度,加速度,坐标变换关系和速度变换关系都是相对的。,表明两个惯性系是等价的。,对力学规律而言，所有的惯性系都是等价的。,一伽利略相对性原理,逆变换,加速度,速度,一伽利略相对性原理,牛顿经典力学时空观的本质之一在于时间间隔的绝对性与同时的绝对性，认为时间是与所选参照系无关的量。,K,系：,K,系：,一伽利略相对性原理,牛顿经典力学时空观的本质之二在于空间间隔的绝对性。,标尺相对,K,系静止，其长度,在,K,系测量其长度,当,则,伽利略实验,匀速直线运动的大船,人跳向船尾不会比跳向船头更远,虽然跳在空中时,脚下的船向着反方向移动。,在船尾把东西扔给船头,的同伴时,所用的力不比,两人换位置后用的力更大。,水滴将象船静止时一样,准确地滴进下面的罐子,一滴也不会滴向罐子之外,虽然水滴在空中时,船已行驶了一段距离。,一伽利略相对性原理,总之，经典力学时空观的核心价值体系是存在独立于运动之外的绝对时空。,这类时空观也称为绝对时空观。,该时空观还认为质量、加速度和力也是与惯性参照系无关的量。,运动定律在所有惯性系都具有相同的表述形式，,即运动定律在伽利略变换下是协变的。,一伽利略相对性原理,球投出,前,结果,:,观察者先看到投出后的球，后看到投出前的球,？,根据,伽利略变换,计算,球投出,后,二先后顺序颠倒,据史书记载，九百多年前发生了一次超新星爆发事件。,爆发出现在,1054,年，在开始的,23,天中这颗超新星非常亮，白天也能在天空上看得到它，随后逐渐变暗，直到,1056,年,3,月，历时,22,个月。,这次爆发的残骸就形成了金牛座中的蟹状星云。,A,B,二先后顺序颠倒,实际持续时间约为,22,个月,这怎么解释,?,理论计算观察到超新性爆发的强光的时间持续约,l,=,5000,光年,物质飞散速度,A,B,A,点光线到达,地球所需时间,B,点光线到达,地球所需时间,二先后顺序颠倒,症结：,对于两个不同的惯性参照系光速满足伽利略变换吗？,15,1,伽利略变换式 牛顿力学相对性原理遇到的困难,经典力学时空观,受到严峻的挑战！,二先后顺序颠倒,5.2,相对论时空观 洛伦兹坐标变换式,声音和机械波不能在真空传播，必须要有传播的媒质。,光和电磁波却能在真空中传播，于是，人们认为真空不空，充满称为“以太”的物质。,“以太（,aether,）”一词来源于古希腊，原意为高空。,笛卡尔最早把它用以表示一种充满宇宙的、能传递相互作用的无质量的物质。,“以太”无处不在。,太阳光之所以能传到地球，就是因为太阳到地球的空间充满着“以太”。,5.2,相对论时空观 洛伦兹坐标变换式,如果“以太”存在，那么,1725,年英国天文学家布拉德雷发现的光行差现象，意味着“以太”相对于太阳静止而相对于地球运动。,光行差,：在地球上观察恒星，一年内其视位置所发生的改变。,如果“以太”相对于地球运动，,就应该可以通过某种方式探测到。,一迈克耳孙,-,莫雷实验和洛伦兹坐标变换式,1879,年，著名物理学家麦克斯韦,提出了一种测定方法：,让光线分别在平行和垂直于地球,运动方向等距离往返传播，平行于,地球运动方向所花的时间将会略大,于垂直方向的时间。,1881,年，美国物理学家迈克尔逊,根据麦克斯韦提出的原理设计了一个,极为精密的实验，,未发现任何时间差,。,一迈克耳孙,-,莫雷实验和洛伦兹坐标变换式,1887,年，迈克尔逊再度与莫雷合作，,以更高精度重复实验。,他们考虑光速远大于一般物体速度。,即使不同方向的光速是不相同的，,也很难测量得出来。,麦克尔逊,-,莫雷实验的巧妙之点正是,在于他们不去测量不同方向的光速值本身，,而是测量不同方向的速度之间的差。,G,M,1,M,2,T,G,M,1,G,G,M,2,G,G,M,2,M,2,G,M,2,M,1,G,T,设“以太”参考系为,K,系，实验室为 系,仪器可测量精度,实验结果,:,未,观察到地球相对于,“,以太,”,的运动。,当整个装置旋转,90,后，,两光束的光程差仍为,望远镜中应看到干涉条纹移动,“以太”被判死刑！,一迈克耳孙,-,莫雷实验和洛伦兹坐标变换式,1892,年，荷兰物理学家洛伦兹提出了收缩假说。,并推导出不同运动状态的惯性参照系之间时空坐标的变换关系式,洛伦兹变换：,时间与空间坐标有关！,一迈克耳孙,-,莫雷实验和洛伦兹坐标变换式,逆变换：,当,洛伦兹变换退化为伽利略变换。,一迈克耳孙,-,莫雷实验和洛伦兹坐标变换式,洛伦兹没有能够深刻认识到他所发现的变换的真正意义。,1898,年，法国物理学家彭家勒提出：“光具有不变的速度，它在一切方向上都是相同的”，他主张针对麦克尔逊,-,莫雷实验的“零”结果，引入更普遍的观念。,1904,年，他提出应建立一门全新的力学。,他提出，物体的惯性随着速度的增加而增加，光速是不可逾越的界限。,他的这些观点已是相对论的雏形，但他也没有从牛顿绝对时空观中解脱出来，因此未能做出根本性的理论突破。,二狭义相对论时空观,19,世纪末,20,世纪初的一系列物理实验和理论探索，为建立新的时空理论和物质运动理论准备了条件。,担当这一重任的是爱因斯坦。,1905,年,9,月，年仅,26,岁的,爱因斯坦发表了题为,论运动,物体中的电动力学,的论文，,提出了狭义相对论的两条基本,假设,相对性原理和光速不,变原理。,二狭义相对论时空观,爱因斯坦认为，根本不存在绝对静止的以太参照系。,同时性是相对的而不是绝对的。,在此基础上，他,对洛仑兹变换式给予了全新的解释,：,从根本上说，我们只能在物体的相对运动中来度量时间和空间，根本找不到绝对时空坐标。,时间、空间、质量等物理量的量度，取决于测量者与被测量者的相对运动状态。,他由此得出了狭义相对论的几个结论。,二狭义相对论时空观,1,、运动的物体长度收缩,一个物体相对于观察者静止时，它的长度测量值最大。,如果它相对于观察者以速度,u,运动时，那么沿相对运动方向上，它的长度要缩短。,设物体相对于观察者静止,时它的长度为 ，,则运动时物体长度变为,二狭义相对论时空观,例如高速列车上有一张桌子，车上的人在运动方向上测出它的长度为,1,米，这个长度叫桌子的固有长度。,桌子相对于地面是运动的，在地面上的人测量出桌子的长度小于,1,米，这个效应叫长度收缩。,收缩的程度决定于桌子相对于地面的运动速度，,并且这个,收缩仅发生在运动方向上,，,在垂直于桌子运动方向的方向上没有长度收缩。,二狭义相对论时空观,2,、运动使时钟变慢,一只时钟相对于观察者静止时，它走得最快。,如果它相对于观察者以速度,u,运动时，那么它就走慢了。,简单地说就是运动着的时钟变慢。,设时钟相对于观察者静止时，某事件的时间间隔为 ，,则运动时的时间间隔为,二狭义相对论时空观,爱因斯坦设计了一个,“,光钟,”,。,将两面平行的镜子面对面放着，相距,150000,千米，一束光在它们之间跳上跳下，来回一次的时间刚好是,1,秒。,设想在地球上和经过地球向东高速飞行的飞船里各有一个相同的光钟。,在飞船里的人看来，光束直上直下地来回跳，,150000,千米向上，,150000,千米向下。但是，在地球上的人看来，飞船里的光束不是向上和向下运动，而是沿着一条对角线路径运动。一条对角线的距离显然大于,150000,千米。,二狭义相对论时空观,考虑光速不变，在地球上的人看来，飞船里的光束来回一次所需的时间应超过,1,秒。因此，在地球上的人认为飞船里的钟走得慢。,二狭义相对论时空观,二狭义相对论时空观,3,、运动的物体质量增大,如果物体静止时的质量为 ，,则运动时质量增大为,这意味着物体的质量与时间和空间一样都具有相对性。,这个效应在运动速度接近光速的宇宙射线和基本粒子中能明显测出来。,二狭义相对论时空观,4,、光速是物质运动的极限速度,在任何惯性系中，物体的运动速度都不能超过光速,。,二狭义相对论时空观,5,、同时性是相对的,如果两个独立事件在惯性系中是同一时刻但不在同一地点发生，那么在相对于地面以匀速度运动的惯性系中测量，则它们就不是同时发生的。或简单说同时性并不是绝对的。,如何判断两事件是否同时？,我们要判断、两地发生的两事件是否同时，可在联线的中点处设一光讯号接收站。,当点同时接收到从、两地发来的光讯号时，我们就可断定、两事件是同时发生的。,二狭义相对论时空观,由于光速有限，根据光速不变原理，不同地点发生的两事件的同时性是相对的。,例如，设想有一列火车相对于站台以匀速,v,向右运动,二狭义相对论时空观,当列车的首、尾两点、与站台上的,A,、,B,两点重合时，,站台上同时在这两点发出闪光，,两闪光同时传到站台的中点，,站在车上的中点,的人必然先接到来自车头,A,点的闪光，,后接到来自车尾,B,的闪光。,于是，对于车上的人来说，,A,的闪光早于,B,。,这就是说，站台上的人认为是同时发生的事件，对于列车上的人来说不是同时的。,这就是同时性的相对性。,同时具有相对性，时间的量度是相对的。,二狭义相对论时空观,二狭义相对论时空观,1906,年，爱因斯坦又发表了一篇短文,物质所含的惯性同它们所含的质量有关吗？,，,提出了相对论的质能关系式,即物体运动的能量,E=mc,2,当某物质的质量发生变化时，必然要伴随能量变化，反之亦然，这一公式为原子能的利用奠定了理论基础。,这是一个具有划时代意义的理论公式，可以作为,相对论的标志,。,二狭义相对论时空观,例,5-1,用洛伦兹变换验证长度的收缩公式,证：,K,系中静止的棒长,根据洛伦兹变换，得：,K,系中必须同时测，即,二狭义相对论时空观,例,5-2,固有长度为,5m,的飞船以,u,9000,m/s,相对地面匀速飞行时，在地面上测得飞船的长度为多少？,解：,根据相对论尺缩关系得,这说明在远小于光速时相对论尺缩效应不明显。,二狭义相对论时空观,例,5-3,某种热核反应,中各粒子的静质量是：,氘核 的静质量,氚核 的静质量,氦核 的静质量,中子 的静质量,求这一热核反应释放的能量是多少？,二狭义相对论时空观,解：,热核反应造成的质量亏损为,相应释放的能量为,而,1,的这种核燃料所释放的能量为,是,1,优质煤燃烧所释放热量的,1,千多万倍,。这类由于原子核内部结构发生变化而释放出的巨大能量，称为,核能,。,二狭义相对论时空观,爱因斯坦的狭义相对论为核能利用奠定了基础。,核电站只需消耗很少的核燃料，,就可以产生大量的电能，每千瓦时,电能的成本比火电站要低,20%,以上。,核电站还可以大大减少燃料的运输,量。,核电的另一个优势是干净、无污染，,几乎是零排放，是一种“绿色能源”。,二狭义相对论时空观,狭义相对论的建立是物理学发展史上的革命。,它把空间、时间和物质的运动联系起来。,狭义相对论很好地解释了以太漂移实验的“零”结果问题，“以太假说”彻底被清除出历史舞台。,著名物理学家普朗克对狭义相对论给予很高的评价，并热心进行宣传。,爱因斯坦的老师著名数学家闵可夫斯基引进了时空坐标，为狭义相对论找到了比较完美的数学形式，并进一步揭示了时间的统一关系。,二狭义相对论时空观,狭义相对论的局限性：,它没有解决惯性系何以优于其他参照系之谜，也没有进一步揭示时空与物质分布的关系。,狭义相对论只有在引力场比较弱、引力的影响可以忽略的情况下，其结论才是正确的。,经过,10,年的潜心研究，爱因斯坦终于在,1915,年把狭义相对论推广为广义相对论。,三广义相对论的创立,爱因斯坦建立广义相对论的突破口是把相对性原理推广到加速运动的非惯性系。,他接受了奥地利物理学家马赫的观点，认为非惯性系理论一定要包括引力理论，而惯性质量和引力质量相等是解决引力问题的关键。,他以此为基础，提出,等效原理：一个加速运动的非惯性体系，等效于含有均匀引力场的惯性系,。,在等效原理的基础上，他又进一步提出了“广义协变原理”，认为在任何参照系中，物理定律的数学形式都是相同的。,三广义相对论的创立,广义相对论实质上是一种引力理论。,在有引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里得几何，而遵循着非欧几何。,19,世纪德国数学家黎曼所建立的黎曼几何学就是非欧几何学的一种，它描写了非平直空间的性质。,欧式几何所研究的范围是绝对的平的问题，在平面里画出的三角形三条边都是直的，两点之间的距离也是直的，三角形的内角和等于,180,度。,但是我们生活在地球上，因此我们的空间是曲面，而不是平面。,三广义相对论的创立,在球面上画三角形,ABC,，无论怎么画，这个三角形的内角和都大于,180,度，两点间的最短距离不是直线而是曲线，称为测地线，这个几何就是,黎曼几何,。,三广义相对论的创立,爱因斯坦选择了黎曼几何为广义相对论的时空模型。,广义相对论认为，现实的物质空间不是平直的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。,空间的弯曲程度取决于物质在空间的几何分布。,物质分布密度越大，则引力场的强度也越大，时空“弯曲”越厉害。,广义相对论用引力场揭示了引力的本质，彻底否定了牛顿的绝对时空观。,三广义相对论的创立,广义相对论成功地解决了如下三个重大问题：,第一，爱因斯坦用广义相对论成功地解释了水星近日点进动问题。,第二，爱因斯坦根据广义相对论，预言光线在强引力场中要产生偏转，并计算出恒星光线经过太阳边缘时将发生,1.7,弧秒的偏转度。,第三，爱因斯坦预言光线在强引力场中发生引力频移。,广义相对论已成为现代宇宙理论的基础之一。,三广义相对论的创立,水星近日点进动问题,1859,年，法国天文学家勒威耶发现水星轨道近日点的进动，每,100,年有,38,秒的剩余值（今测值为,42.6,秒）。,他预测在水星轨道里面还有一颗尚未发现的行星或一个行星群存在。,但在天文观测中并未发现这颗行星。,爱因斯坦根据广义相对论，推断这,是水星在太阳引力场中沿测地线运动,所造成的。,他计算出的进动值与观测值一致。,三广义相对论的创立,光线在强引力场中要产生偏转,1919,年,5,月，由英国天文学家、物理学家爱丁顿率领的一支考察队在西非的普林西比岛对日全食进行了观测，发现光线经过太阳边缘时发生了,1.61,弧秒的偏转。,另一支英国科学考察队在南美的,索布拉尔进行了日全食观测，其结,果为,1.98,弧秒。,证实了爱因斯坦的预言。,三广义相对论的创立,光线在强引力场中发生引力频移,根据广义相对论，在强引力场中时钟要变慢，所以巨大质量星体表面传到地球的光的谱线应有红移现象（即波长变长）。,1925,年，美国天文学家,亚当斯在天文观测中证实了,这个结果。,三广义相对论的创立,相对论使引力理论建立在十分简单的基础上，使质量与能量统一起来，使惯性系与非惯性系统一起来，使惯性质量与引力质量统一起来。,相对论的创立，充分说明：,自然科学的重大理论突破，需要善于发现已有的理论与实践的矛盾，需要有勇于挑战传统理论的自信心与勇气；,创新意识、创新思想在科学研究中具有重大作用和意义。,思考与讨论,5.1,举出生活中需要用到相对性原理的实例。,5.2,在什么条件下洛伦兹变换可以过渡到伽利略变换？,5.3,设计一种测量光速度的方法。,5.4,从地面看匀速直线运动的物体在高速运动的方向上长度收缩，那么从匀速直线运动的物体上在高速运动的方向上看地面长度会变长吗？,5.5,从地面看匀速直线运动参照系上的时钟变慢，那么从匀速直线运动的参照系上看地面上的时钟会变快吗？,