151相对论的诞生1

151相对论的诞生1内容摘要：

认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用，对于第一级微量来说，这是已经证明了的。 把猜想提升为公设 我们要把这个猜想提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在虚空空间里总是以一确定的速度传播着，这速度与发射体的运动状态无关。 由这两条公设，根据静体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而不自相矛盾的动体电动力学。 ‘ 光以太 ’的引用将被证明是多余的。 狭义相对论的两条基本原理 以上这一段话提出了狭义相对论的两条基本原理： 相对性原理：一切物理定律在所有惯性系中是等价的； 光速不变性原理：光在真空中的传播速度为一常数 c，与光源和观测者的运动状态无关。 抛弃了被认为是充满空间的以太和绝对的时空观。 洛伦兹变换 设惯性系 K相对惯性系 K′的运动速度为 v（ 沿 x轴 ） ， c为真空中的光速。 则两个系统之间的长度和时间的洛伦兹变换公式为： (1) x′= (x+vt)/(1v2/c2)1/2 (2) y′= y (3) z′= z (4) t′= (t+(v/c2)x)/(1v2/c2)1/2 爱因斯坦从相对性的基本原理和洛仑兹变换得出了狭义相对论的一系列结论： 1. 同时性的相对性 2. 时钟变慢 3. 长度收缩 4. 物体的质量随速度变换 5. 质能相关 6. 能量、动量的统一 时间的相对性 （同时的相对性）： 考虑永久放在 K′的原点上的一个按秒报时的时钟。 t′= 0和 t′= 1对应于该钟接连两声滴答。 洛伦兹变换的第一、第四方程给出 t=0和 t=1/(1v2/c2)1/2。 就是说从 K来判断 K′的 1秒，实际上比 1秒要长，因而该时钟走得慢了（钟慢效应）。 这就是运动系的时间膨胀。 显然当 v = c时，时间停止了，但这是不可能的。 这就是一般被称为的 “ 时钟悖论”。 “ 双生子悖论” “时钟悖论 ” 后来转换更富戏剧色彩的 “ 双生子悖论 ” ，由法国物理学家朗之万提出。 朗之万是较早接受相对论的科学家之一，爱因斯坦说如果他没有发现狭义相对论，朗之万将会发现。 如果双胞胎兄弟中的一个留在地球，另一个去作星际旅行，飞船速度足够大，直线飞向一颗恒星再飞回地球，最后旅行者发现在他出门的两年时间里，地球已经度过了两个世纪。 哲学家伯格森说，他正是听了朗之万 1911年 4月关于相对论的讲演，才唤起他对爱因斯坦理论的注意。 长度的相对性 （运动的长度缩短） 沿 K′的 x′轴放置一根米尺，令其一端与点 x′= 0重合，另一端与点 x′= 1重合。 问米尺相对于 K系的长度为何。 由洛伦兹变换易知，在 t=0时两点间的距离在 K系中是 (1v2/c2)1/2，就是说以速度 v运动着的米尺的长度是 (1v2/c2)1/2米。 （尺缩效应） 可见，当 v = c时米尺的长度为零； v c 时，平方根是虚数。 因此，在相对论中，任何实在的物体既不能达到也不能超过光速。 狭义相对论中质能关系 （质能相关） 狭义相对论能量 E =（ m02c4+P2c2)1/2，动量 P很小时， E≈m0c2+ P2/（ 2m0）。 这样低速粒子的相对论能量为经典力学的动能加上常数项 m0c2。 如果粒子静止，则动量 P等于 0，则 E=m0c2 质量是能量的一种存在形式 E=m0c2把质量守恒与能量守恒联系了起来，质量也可以看作是能量的一种存在形式。 也正是这个公式在理论上预言了使得原子弹的可能性。 1克煤全部燃烧大约产生 7000卡热量， 如果把一克煤的全部原子彻底崩裂，根据质能关系式，大约会产生 2 1013卡热量，是燃烧产能的 30亿倍。 狭义相对论时空观图解 •同时的相对性 • 长度收缩 时间膨胀 闵科夫斯基对狭义相对论的重构 闵科夫斯基曾经在苏黎世教过爱因斯坦数学。 闵科夫斯基发表论文，引进四维时空的概念，取代了孤立的三维空间加一维时间的不相容概念， 还把相对论转化为现代张量形式，在相对论中引进专用术语，并明确指出：以相对论观点看，传统的牛顿引力理论已经不够用了。 “ 多余的技巧”。 一开始爱因斯坦没有理解闵科夫斯基工作的意义，甚至认为把他的理论改写成张量形式是 “ 多余的技巧 ”。 但到了 1912年，爱因斯坦终于转变过来了，1916年他以感激的心情承认闵科夫斯基使他大大简化了从狭义相对论向广义相对论的过渡。 后来爱因斯坦强调说，如果没有闵科夫斯基，广义相对论也许还。