东华大学：《文科物理》课程教学资源（PPT课件讲稿）第五章 相对论与宇宙观

第五章相对论与宇宙观 §51狭义相对论 s52广义相对论 §53现代宇宙观

第五章 相对论与宇宙观 §5.1 狭义相对论 §5.2 广义相对论 §5.3 现代宇宙观

第五章相对论与宇宙观 §5.1狭义相对论 §51.1“以太”零漂移 17世纪初,法国哲学家、数学家、物理学家笛卡儿 继承并发展了古希腊的“以太”观念,形成了“以 大学说”: “原始混沌的物质弥漫整个空间,并做旋转运动, 形成漩涡。”“以太是构成空间的原料。”他用以 太漩涡理论解释各种自然现象,这种理论很快被人 们接受。 可是,按照波动理论必须赋予“以太”以多种奇异 的特性—它既是极轻的极稀薄的流体,对天体运 行毫无阻力,又要具有弹性模量比钢还大的固体弹 性,以便传递横波。“以太”具有这两种水火不相 容的奇异特性是十分难以想象的

第五章 相对论与宇宙观 §5.1狭义相对论 §5.1.1“以太”零漂移 • 17世纪初，法国哲学家、数学家、物理学家笛卡儿 继承并发展了古希腊的“以太”观念，形成了“以 大学说”： • “原始混沌的物质弥漫整个空间，并做旋转运动， 形成漩涡。”“以太是构成空间的原料。”他用以 太漩涡理论解释各种自然现象，这种理论很快被人 们接受。 • 可是，按照波动理论必须赋予“以太”以多种奇异 的特性——它既是极轻的极稀薄的流体，对天体运 行毫无阻力，又要具有弹性模量比钢还大的固体弹 性，以便传递横波。“以太”具有这两种水火不相 容的奇异特性是十分难以想象的

奇特的“以太”在何方,它究竟是什么东西,成为 19世纪和20世纪初物理学家们特别注目的问题。既 然假定“以太”充满整个空间和物体中,那么运动 物体是否会对“以太”产生影响,“以太”是否被 拖曳?这为科学家们探索“以太”提供了最佳途径。 1818年,菲涅耳在给法国政治家、物理学家阿拉果 的信中提出了部分拖曳假说。他认为,整个空间的 “以太”是静止的,透明体中的“以太”可以部分 地被这一物体拖曳 从菲涅耳部分拖曳理论出发,依据运动的相对性可 知,物体在静止“以太”中运动,就相当于“以太” 相对于物体飘移,运动物体就受到了与其运动方向 相反的“以太风”。地球绕着太阳在真空(静止以太) 中运动,其速度为每秒30公里,自然应该探测到 “以太”对于地球的飘移。测定“以太”飘移成了 物理学家们探索与研究“以太”的新途径

• 奇特的“以太”在何方，它究竟是什么东西，成为 19世纪和20世纪初物理学家们特别注目的问题。既 然假定“以太”充满整个空间和物体中，那么运动 物体是否会对“以太”产生影响，“以太”是否被 拖曳？这为科学家们探索“以太”提供了最佳途径。 • 1818年，菲涅耳在给法国政治家、物理学家阿拉果 的信中提出了部分拖曳假说。他认为，整个空间的 “以太”是静止的，透明体中的“以太”可以部分 地被这一物体拖曳。 • 从菲涅耳部分拖曳理论出发，依据运动的相对性可 知，物体在静止“以太”中运动，就相当于“以太” 相对于物体飘移，运动物体就受到了与其运动方向 相反的“以太风”。地球绕着太阳在真空(静止以太) 中运动，其速度为每秒30公里，自然应该探测到 “以太”对于地球的飘移。测定“以太”飘移成了 物理学家们探索与研究“以太”的新途径

“以太飘移”的测定,是由美国实验物理学家 迈克尔逊和莫雷于1886年完成的 迈克尔逊莫雷实验得到了“以太飘移的零 结果”。自此后,近50年中有1位科学家发 表了13份精确实验数据,都得到了“以太飘 移的零结果”。这是对“以太”存在与否的 判定M 莫 雷迈 实克 验尔 装逊 置

• “以太飘移”的测定，是由美国实验物理学家 迈克尔逊和莫雷于1886年完成的。 • 迈克尔逊—莫雷实验得到了“以太飘移的零 结果”。自此后，近50年中有11位科学家发 表了13份精确实验数据，都得到了“以太飘 移的零结果”。这是对“以太”存在与否的 判定性实验。 迈 克 尔 逊 - 莫 雷 实 验 装 置

§5.12狭义相对论的创立 、相对论的先驱 1899年彭加勒提出了“以太”不存在的可能性; 1904年彭加勒明确地表示,应该把相对性原理从力 学现象扩展到各种物理现象; 在1904年出版的《科学与假 设》中,彭加勒指出,绝对 空间是不存在的,绝对时间 是没有的。我们所能理解的 只不过是相对运动而已。所 谓两个事件经历的时间相等 的说法是没有实际意义的

§5.1.2 狭义相对论的创立 一、相对论的先驱 • 1899年彭加勒提出了“以太”不存在的可能性； • 1904年彭加勒明确地表示，应该把相对性原理从力 学现象扩展到各种物理现象； • 在1904年出版的《科学与假 设》中，彭加勒指出，绝对 空间是不存在的，绝对时间 是没有的。我们所能理解的 只不过是相对运动而已。所 谓两个事件经历的时间相等 的说法是没有实际意义的

二、爱因斯坦发现狭义相对论 1、狭义相对性原理: 公设1:一切运动定律(不限于力学运动定律) 在所有惯性系里都一样地成立;并没有哪一 个惯性系是特殊的。 公设2:光速不变原理

二、爱因斯坦发现狭义相对论 1、狭义相对性原理： 公设1：一切运动定律（不限于力学运动定律） 在所有惯性系里都一样地成立；并没有哪一 个惯性系是特殊的。 公设2：光速不变原理

2、狭义相对论的建立 爱因斯坦发现电动力学的方程并不具有伽 利略变换的不变性,但他认定相对性原理为 切物理定律都必须遵循的原则,那末就会想到 两惯性系之间必有新的时空变换来取代伽利略 变换 x-vt 爱因斯坦正是以光速 不变原理为前提,又考虑 y=1 到时间和空间的均匀性, 2=z 便轻而易举地推导出反映 t-vx 时空联系的洛伦兹变换

2、 狭义相对论的建立 爱因斯坦发现电动力学的方程并不具有伽 利略变换的不变性，但他认定相对性原理为一 切物理定律都必须遵循的原则，那末就会想到 两惯性系之间必有新的时空变换来取代伽利略 变换 爱因斯坦正是以光速 不变原理为前提，又考虑 到时间和空间的均匀性， 便轻而易举地推导出反映 时空联系的洛伦兹变换。            − − = = = − − = 2 2 2 1 ' ' ' 1 ' c c c t x t z z y y x t x 2 2 v v v v

1905年6月,爱因斯坦发表了划时代论文 《论动体的电动力学》,宣告了新时空理论的 诞生。 相对论动力学在低速时会过渡到牛顿力学, 那就表明相对论体系已包含了牛顿力学;或者 说,爱因斯坦以其相对论时空观改造了牛顿力 学,使其推广成为相对论动力学。 更确切地说,牛顿力学反映低速范围的物 质运动规律,而相对论适合于的物质运动范围, 可反映以光速传播的电磁场运动规律和在小于 光速的范围内的力学运动规律,其中不仅包括 高速运动、也包括低速运动

1905年6月，爱因斯坦发表了划时代论文 《论动体的电动力学》，宣告了新时空理论的 诞生。 相对论动力学在低速时会过渡到牛顿力学， 那就表明相对论体系已包含了牛顿力学；或者 说，爱因斯坦以其相对论时空观改造了牛顿力 学，使其推广成为相对论动力学。 更确切地说，牛顿力学反映低速范围的物 质运动规律，而相对论适合于的物质运动范围， 可反映以光速传播的电磁场运动规律和在小于 光速的范围内的力学运动规律，其中不仅包括 高速运动、也包括低速运动

(2)时间延缓效应 时间延缓效应即意味着时间的相对性。为 便于理解,以“爱因斯坦火车”为例说明之。 从车厢底部向顶部的反光镜发射一强光 脉冲,尔后光脉冲被反光镜反射回底部,见图。 D影视资料片:时钟变慢 “动钟变慢”又称作时间膨胀(或时缓)效应

(2) 时间延缓效应 时间延缓效应即意味着时间的相对性。为 便于理解，以“爱因斯坦火车”为例说明之。 从车厢底部向顶部的反光镜发射一强光 脉冲，尔后光脉冲被反光镜反射回底部，见图。 “动钟变慢”又称作时间膨胀（或时缓）效应。 影视资料片：时钟变慢

孪生子效应 设想一对年华正茂的孪生兄弟,哥哥告别 弟弟,登上访问牛郎织女的旅程。归来时,阿 哥仍是风度翩翩一少年,而前来迎接他的胞弟 却是白发苍苍一老翁了。这真应了古代神话里 “天上方一日,地上已七年”的说法! 按照相对论,运动不是相对的吗?上面是 从“天”看“地”,若从“地”看“天”, 还应有“地上方一日,天上已七年”的效应。 为什么在这里天、地不对称?这便是所说的 “孪生子佯谬 twin paradox

• 孪生子效应 设想一对年华正茂的孪生兄弟，哥哥告别 弟弟，登上访问牛郎织女的旅程。归来时，阿 哥仍是风度翩翩一少年，而前来迎接他的胞弟 却是白发苍苍一老翁了。这真应了古代神话里 “天上方一日，地上已七年”的说法！ 按照相对论，运动不是相对的吗？上面是 从“天” 看 “地”，若从“地” 看 “天”， 还应有“地上方一日，天上已七年”的效应。 为什么在这里天、地不对称？这便是所说的 “孪生子佯谬 twin paradox”