现代宇宙学教学第5章时空观的革命融融
73页1、,第5章 时空观的革命,,狭义相对论关于物质存在的方式及其运动形态、时间和空间、实物和场以及质量和能量等一系列基本问题的表述,改变了原有观念,使人类对物质世界的认识发生了巨大的飞跃。,爱因斯坦 (Albert Einstein ),这是科学创新的又一光辉典范。 波恩认为这是“认识自然的人类思维中最伟大的成就,哲学的深奥、物理学的洞察力和数学技巧最惊人的结合。”,爱因斯坦和量子论与相对论(4).avi,,本篇教学内容,伽利略相对性原理,爱因斯坦相对论的建立,时空观的革命,质能关系为原子能的应用开辟了道路,学习重点不在于那些数学公式,而是请同学们尽量领会爱因斯坦的科学思想和主要成就,这正是本节的主要目的。,,,,20世纪降临之际,著名热力学家开尔文在英国皇家学会迎接新世纪的庆祝会上致辞说:经典物理学的大厦已经建成,未来的物理学家们只需要做些修修补补的工作就行了。他同时指出明朗的天空中还有两朵乌云, 第一朵乌云是1887年的迈克尔逊-莫雷实验,它否定了绝对参考系的存在; 第二朵乌云是1900年瑞利-金斯的黑体辐射实验,又称为“紫外线灾难”。 经典物理受到严峻考验,迫使物理学们不得不去寻找新的
2、解决途径。经过艰苦卓绝的奋斗,终于在20世纪初建立了近代物理相对论和量子物理学。,,,,一、力学相对性原理 和伽利略变换,1.1 力学相对性原理: 在两个相互作匀速运动的惯性系内,力学规律是不变的。,换句话说,在某一系统内部所作任何力学的实验都不能够决定这个惯性系统是在静止状态还是在作等速直线运动。,,时空观的革命力学相对性原理.avi,,1.2 伽利略变换,在两个惯性系之间的坐标系变化关系,满足伽利略变换。假定 , 和 重合,则有,伽利略变换正是牛顿力学中关于绝对空间和绝对时间观念的数学表述。时间和长度在两个惯性系里是不变的。,,1.3 光速不变原理:,,双星运动,复件 双星运动.flv,,在任何惯性参考系内真空中的光速是不变的,各向同性的,与光源的速度无关,为,光速的不变性: 奇怪,然而是真的!,从双星轨道不发生形变知道光速与光源运动无关。,,利用一个标准钟光钟来说明同时相对性。也就是要利用光速不变原理来导出“运动钟”比“静止钟”走得慢。走得慢说明时间的单位变长了。 对静止在S系的钟,甲看到光来回反射一次的时间是:,相对运动 flv.SWF,,在S系,静止的钟对甲来说是运动钟,来回
3、一次的时间是:,但是必须指出,在 S系中静止的乙看来,此钟来回一次的时间是 。由于计时单位 ,所以,甲说:运动的钟变慢了。当然在乙看来,S系的钟也变慢了。,,,二、洛伦兹变换,发生在空间-时间中的一个事件,在S参考系中记为(x,y,z,t),在 系(相对S系沿x轴以速度 做匀速运动)中记为( ),它们之间的变换关系在狭义相对论中由光速不变原理可导出为:,从S系 系:,从 系 S 系:,,,三、时空观的革命,1、同时的相对性,图15.3-1 爱因斯坦火车,研究两个事件的发生是否“同时”,在不同的参考系看起来是不同的,具有相对性,这一结论称为同时的相对性。,,结论,沿两个惯性系相对运动方向上发生的两个事件,在其中一个惯性系中表现为同时的,在另一个惯性系中观察,则总是在前一个惯性系运动的后方的那一事件先发生。,讨论,(1) 同时性是相对的。,(2) 同时性的相对性是光速不变原理的直接结果。,(3) 同时性的相对性否定了各个惯性系具有统一时间的可能性,否定了牛顿的绝对时空观。,,这表示在甲看来计时单位 ,即甲认为运动的钟变慢了。,(1) 当v c 时,,t= t ,,(2) 时间延缓效应是相对
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