现代物理学概论第三章幻灯片.ppt

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1、现代物理学概论第三章第1页，共14页，编辑于2022年，星期日 第第 三三 章章 走走 近近 相相 对对 论论第2页，共14页，编辑于2022年，星期日一、爱因斯坦一、爱因斯坦 爱因斯坦生于德国乌尔姆一个犹太小工厂主的家庭里，幼爱因斯坦生于德国乌尔姆一个犹太小工厂主的家庭里，幼年时性格内向且学习成绩一般。他父母酷爱音乐，这对他产年时性格内向且学习成绩一般。他父母酷爱音乐，这对他产生很大影响，小提琴和数学物理一起，伴随了他的一生。生很大影响，小提琴和数学物理一起，伴随了他的一生。1905年是爱因斯坦的丰收年。这一年他年是爱因斯坦的丰收年。这一年他26岁。岁。1902年前后爱因斯坦展开了自己的学术

2、生涯。他最初年前后爱因斯坦展开了自己的学术生涯。他最初研究毛细现象，然后研究布朗运动、光电效应和时空理研究毛细现象，然后研究布朗运动、光电效应和时空理论，发表了一系列重要论文。论，发表了一系列重要论文。第3页，共14页，编辑于2022年，星期日 1905年，除去博士论文外，他还连续完成了年，除去博士论文外，他还连续完成了4篇重要论文，篇重要论文，6月，发表解释光电效应的论文，提出光量子学说；月，发表解释光电效应的论文，提出光量子学说；7月，发月，发表布朗运动论文，间接证明了分子的存在；表布朗运动论文，间接证明了分子的存在；9月，发表题为月，发表题为论运动物体的电动力学提出了相对论（狭义）；论运

3、动物体的电动力学提出了相对论（狭义）；11月，月，发表有关质能关系的论文，指出发表有关质能关系的论文，指出E=mc2，此关系是制造原此关系是制造原子弹的理论基础之一。子弹的理论基础之一。在论运动物体的电动力学中，爱因斯坦提出了在论运动物体的电动力学中，爱因斯坦提出了开天辟地的新思想，抛弃了以太论和牛顿的绝对时空开天辟地的新思想，抛弃了以太论和牛顿的绝对时空观。观。第4页，共14页，编辑于2022年，星期日 在他提出相对论的划时代论文中，充满了难懂的革命性在他提出相对论的划时代论文中，充满了难懂的革命性新思想，却只用了当时本科生就能看懂的数学工具，并没新思想，却只用了当时本科生就能看懂的数学工具

4、，并没有引用任何参考文献。（很难通过审稿）爱因斯坦很幸运，有引用任何参考文献。（很难通过审稿）爱因斯坦很幸运，这篇论文的审稿人是水平高、思想活跃而又不压制年轻人这篇论文的审稿人是水平高、思想活跃而又不压制年轻人的普朗克。的普朗克。1915年，爱因斯坦又发表了广义相对论，提出时空弯曲年，爱因斯坦又发表了广义相对论，提出时空弯曲思想。思想。相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别极大，很相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别极大，很难被普通人理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又弄不懂难被普通人理解。人们都称赞爱因斯坦伟大，但又弄不懂这伟大的内容，人们不禁又想起了英国诗人波谱歌颂牛顿这伟大的内容，人

5、们不禁又想起了英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句：的诗句：自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中，上帝说：上帝说：“让牛顿去吧。让牛顿去吧。”于是一切成为光明。于是一切成为光明。第5页，共14页，编辑于2022年，星期日在看到相对论后，又续写道：在看到相对论后，又续写道：但不久但不久但不久但不久魔鬼说，魔鬼说，“让爱因斯坦去吧让爱因斯坦去吧”，于是一切又回到黑暗中。于是一切又回到黑暗中。在物理学界对创造过程感到最快活的，就是彻在物理学界对创造过程感到最快活的，就是彻低挣脱已知事物限制的人。越过已知事物的障碍，低挣脱已知事物限制的人。越过已知事物的障碍，深入尚未探索的领域，拥

6、有小孩子一般如实看世深入尚未探索的领域，拥有小孩子一般如实看世界的能力。界的能力。悟道不难，维持初心才难！悟道不难，维持初心才难！第6页，共14页，编辑于2022年，星期日二、洛仑兹收缩与洛仑兹变换二、洛仑兹收缩与洛仑兹变换 相对论诞生前夜，物理学碰到的另一个难题。相对论诞生前夜，物理学碰到的另一个难题。19世纪下半叶，麦克斯韦导出了电磁场方程。从麦克斯韦方世纪下半叶，麦克斯韦导出了电磁场方程。从麦克斯韦方程组得到一个重要结论：电磁波以光速传播。且光速在只有程组得到一个重要结论：电磁波以光速传播。且光速在只有以太的真空中是一个恒定常数。以太的真空中是一个恒定常数。由伽利略相对性原理，物理规律在

7、一切惯性系中都相同。由伽利略相对性原理，物理规律在一切惯性系中都相同。麦克斯韦方程在所有惯性系中都成立，就是说光速在任何惯麦克斯韦方程在所有惯性系中都成立，就是说光速在任何惯性系中都应是性系中都应是C 按照牛顿的观点，所有相对绝对空间相对静止或做匀直按照牛顿的观点，所有相对绝对空间相对静止或做匀直运动的参考系都是惯性系，惯性系之间差一个相对运动速运动的参考系都是惯性系，惯性系之间差一个相对运动速度度v。假如假如A,B都是惯性系，且它们相对速度是都是惯性系，且它们相对速度是v，那么，光的速度，那么，光的速度若在若在A中是中是C，则在，则在B中就应是中就应是A+C或或A-C。可麦氏理论准确。可麦氏

8、理论准确无误地告诉我们：光速只能是无误地告诉我们：光速只能是C。第7页，共14页，编辑于2022年，星期日 到底是什么因素导致以上矛盾？毛病出在哪里？到底是什么因素导致以上矛盾？毛病出在哪里？当时，以太理论在人们头脑中根深蒂固，虽然物理理论当时，以太理论在人们头脑中根深蒂固，虽然物理理论遇到重大问题，而且迈克尔孙实验也暴露出这一深刻矛盾，遇到重大问题，而且迈克尔孙实验也暴露出这一深刻矛盾，绝大多数人仍不怀疑以太的存在。绝大多数人仍不怀疑以太的存在。为了保留以太理论，同时克服上述理论和实验上的困为了保留以太理论，同时克服上述理论和实验上的困难，当时最杰出的电磁学专家洛仑兹等人决定放弃相对难，当时

9、最杰出的电磁学专家洛仑兹等人决定放弃相对性原理。他们想得留麦克斯韦的结论，同时解决迈克尔性原理。他们想得留麦克斯韦的结论，同时解决迈克尔孙实验与光行差实验的困难。为此他们提出，孙实验与光行差实验的困难。为此他们提出，以太相对以太相对绝对空间是静止的，麦氏理论只在相对以太静止的惯性系绝对空间是静止的，麦氏理论只在相对以太静止的惯性系中成立。光波相对以太的速度是中成立。光波相对以太的速度是C，相对于运动系的速度，相对于运动系的速度不再是不再是C。同时提出一个新效应：相对绝对空间运动的刚。同时提出一个新效应：相对绝对空间运动的刚尺会在运动方向上产生一个收缩（洛仑兹收缩）。尺会在运动方向上产生一个收缩

10、（洛仑兹收缩）。第8页，共14页，编辑于2022年，星期日 洛仑兹收缩可以解释为何迈克尔孙实验观不到地球洛仑兹收缩可以解释为何迈克尔孙实验观不到地球相对以太的运动，是因沿运动方向放置的镜筒发生了洛相对以太的运动，是因沿运动方向放置的镜筒发生了洛仑兹收缩，缩短了光程，从而抵消了相对运动带来的光仑兹收缩，缩短了光程，从而抵消了相对运动带来的光程变化。程变化。他们进而认为，洛仑兹收缩是物理的，会引起收缩物他们进而认为，洛仑兹收缩是物理的，会引起收缩物体内部物理结构的变化。并根据这理论，放弃了体现相体内部物理结构的变化。并根据这理论，放弃了体现相对性原理的伽利略变换公式，导出了新的洛仑兹变换公对性原理

11、的伽利略变换公式，导出了新的洛仑兹变换公式。式。洛仑兹变换的好处是，第一，可导出刚尺收缩公式；第洛仑兹变换的好处是，第一，可导出刚尺收缩公式；第二可保持麦克斯韦方程组在洛仑兹变换下形式不变。二可保持麦克斯韦方程组在洛仑兹变换下形式不变。第9页，共14页，编辑于2022年，星期日三、突破绝对时空观三、突破绝对时空观-相对论诞生相对论诞生 归纳一下前面所述的困难：归纳一下前面所述的困难：光行差问题光行差问题光行差问题光行差问题-说明以太相对地球有漂移，似乎存在绝对说明以太相对地球有漂移，似乎存在绝对静止的以太。静止的以太。迈克尔孙实验迈克尔孙实验-没有测到这种漂移。说明要么以太不没有测到这种漂移。

12、说明要么以太不存在，要么地球和以太相对静止（地心说）。存在，要么地球和以太相对静止（地心说）。麦克斯韦理论和咖利略变换的矛盾。麦克斯韦理论和咖利略变换的矛盾。其实，以上困难可以归纳为两个疑难：其实，以上困难可以归纳为两个疑难：一个是光速是否恒定？一个是光速是否恒定？一个是不论在物理还是在哲学上，我们都不能确定所一个是不论在物理还是在哲学上，我们都不能确定所谓移动或不移动是什么意思。谓移动或不移动是什么意思。第10页，共14页，编辑于2022年，星期日 面对这两大疑难，只有爱因斯坦用面对这两大疑难，只有爱因斯坦用“初心初心”来看，看到来看，看到的结果就是的结果就是狭义相对论狭义相对论。爱因斯坦的

13、第一个专业行动就是大声说：爱因斯坦的第一个专业行动就是大声说：“国王什么国王什么衣服都没穿！衣服都没穿！”他的言外之意就是，他的言外之意就是，“以太不存在以太不存在”。狭义相对论的第一个信息是，既然以太检测不到，而且也没狭义相对论的第一个信息是，既然以太检测不到，而且也没什么用处，我们就没什么理由再找它。什么用处，我们就没什么理由再找它。首先，以迈克尔孙实验为最，我们每一次检测以太的努力首先，以迈克尔孙实验为最，我们每一次检测以太的努力都彻底失败。其次，以太之所以没用，是因为如果光的传导都彻底失败。其次，以太之所以没用，是因为如果光的传导可以看的是以太介质的振动，那么同也可以看做是能量在真可以

14、看的是以太介质的振动，那么同也可以看做是能量在真空中的传导。空中的传导。爱因斯坦清楚地说：爱因斯坦清楚地说：“电磁场，并不是一电磁场，并不是一种介质（以太）的状态，也不隶属于什么承载者。电磁种介质（以太）的状态，也不隶属于什么承载者。电磁场是独立的实体，无法再化约成任何东西场是独立的实体，无法再化约成任何东西”第11页，共14页，编辑于2022年，星期日 由于爱因斯坦看不到国王的新衣而产生的第二个受害由于爱因斯坦看不到国王的新衣而产生的第二个受害者是绝对空间（绝对静止）。因为，我们凭什么由于说者是绝对空间（绝对静止）。因为，我们凭什么由于说一个参照系绝对不运动，就使它比其它参考系一个参照系绝对

15、不运动，就使它比其它参考系“优先优先”？我们先在理论结构里设置这么一个特例，而我们的经？我们先在理论结构里设置这么一个特例，而我们的经验体系里却又没有一个实体与之对应，这是令人验体系里却又没有一个实体与之对应，这是令人“不可不可忍受的忍受的”。爱因斯坦一举推倒了两块物理学与哲学的大积木（以爱因斯坦一举推倒了两块物理学与哲学的大积木（以太与绝对非运动），下一步就是耍面对光速的问题。不太与绝对非运动），下一步就是耍面对光速的问题。不管观测者运动状态如何，光速永远都是每秒管观测者运动状态如何，光速永远都是每秒30方万公里，方万公里，为什么？为什么？爱因斯坦灵机一动，把这个问题转变为一项命题。光速爱因斯坦灵机一动，把这个问题转变为一项命题。光速恒定既然是实验上无法反驳的事实，他就接受。光速不变恒定既然是实验上无法反驳的事实，他就接受。光速不变的难题在他手里变成了光速恒定的原理，而光速恒定原理的难题在他手里变成了光速恒定的原理，而光速恒定原理是狭义相对论的第一块基石。是狭义相对论的第一块基石。第12页，共14页，编辑于2022年，星期日第13页，共14页，编辑于2022年，星期日本章结束本章结束第14页，共14页，编辑于2022年，星期日