21狭义相对论基本原理.docx

第二讲相对论初步知识§2. 1 狭义相对论根本原理2、1、1、伽利略相对性原理1632年，伽利略发表了 关于两种世界体系的对话 一书，作出了如下概述：相对任何惯性系，力学规律都具有相同的形式，换言之，在描述力学的规律上，一切惯性系都是等价的这一原理称为伽利略相对性原理，或经典力学的相对性系原理其中“惯性系〞是指但凡牛顿运动定律成立的参照系2、1、2、狭义相对论的根本原理19世纪中叶，麦克斯韦在总结前人研究电磁现象的根底上，建立了完整的电磁理论，又称麦克斯韦电磁场方程组麦克斯韦电磁理论不但能够解释当时的电磁现象，而且预言了电磁波的存在，确认光是波长较短的电磁波，电磁波在真空中的传播速度为一常数，，并很快为实验所证实从麦氏方程组中解出的光在真空中的传播速度与光源的速度无关如果光波也和声波一样，是靠一种媒质〔以太〕传播的，那么光速相对于绝对静止的以太就应该是不变的科学家们为了寻找以太做了大量的实验，其中以美国物理学家迈克耳孙和莫雷实验最为著名这个实验不但没能证明以太的存在，相反却宣判了以太的死刑，证明光速相对于地球是各向同性的但是这却与经典的运动学理论相矛盾爱因斯坦分析了物理学的开展，特别是电磁理论，摆脱了绝对时空观的束缚，科学地提出了两条假设，作为狭义相对论的两条根本原理：1、狭义相对论的相对性原理在所有的惯性系中，物理定律都具有相同的表达形式。

这条原理是力学相对性原理的推广，它不仅适用于力学定律，乃至适合电磁学，光学等所有物理定律狭义相对论的相对性原理说明物理学定律与惯性参照系的选择无关，或者说一切惯性系都是等价的，人们不管在哪个惯性系中做实验，都不能确定该惯性系是静止的，还是在作匀速直线运动2、光速不变原理在所有的惯性系中，测得真空中的光速都等于c，与光源的运动无关迈克耳孙—莫雷实验是光速不变原理的有力的实验证明事件任何一个现象称为一个事件物质运动可以看做一连串事件的开展过程，事件可以有各种具体内容，如开始讲演、火车到站、粒子衰变等，但它总是在一定的地点于一定时刻发生，因此我们用四个坐标〔x，y，z，t〕代表一个事件间隔设两事件〔〕与〔〕，我们定义这两事件的间隔为间隔不变性设两事件在某一参考系中的时空坐标为〔〕与〔〕，其间隔为在另一参考系中观察这两事件的时空坐标为〔〕与〔〕，其间隔为由光速不变性可得这种关系称为间隔不变性它表示两事件的间隔不因参考系变换而改变它是相对论时空观的一个根本关系2、1、3、相对论的实验根底斐索实验上世纪人们用“以太〞理论来解释电磁现象，认为电磁场是一种充满整个空间的特殊介质——“以太〞的运动状态麦克斯韦方程在相对以太静止的参考系中才精确成立，于是人们提出地球或其他运动物体是否带着以太运动斐索实验〔1851年〕就是测定运动媒质的光速实验。

其实验装置如图2—1所示；光由光源L射出后，经半透镜P分为两束，一束透过P到镜，然后反射到，再经镜到P，其中一局部透过P到目镜T另一束由P反射后，经镜、和再回到P时，一局部被反射，亦到目镜T光线传播途中置有水管，整个装置是固定于地球上的，当管中水不流动时，两光束经历的时间相等，因而到达目镜中无位相差当水管中的水流动时，两束光中一束顺水流传播，一束逆水流传播设水管的长度皆为l，水的流速为v，折射率为n，光在水中的速度为设水完全带动以太，那么光顺水的传播速度为，逆水为；假设水完全不带动以太，光对装置的速度顺逆水均为；假设局部被带动，令带动系数〔曳引系数〕为k，那么顺水为，逆水为，k多少由实验测定，这时两束光到达目镜T的时差为斐索测量干预现象的变化，测得，所以光在介质参考系中的传播速度为M2M3TLM1P图2-1-1式中θ是光线传播方向与介质运动方向间的夹角现在我们知道，匀速运动介质中的光速可由相对论的速度合成公式求得，设介质〔水〕相对实验室沿X轴方向以速度v运动，选系固定在介质上，在上观察，介质中的光速各方向都是，所以光相对实验室的速度u为由此可知，由相对论的观点，根本不需要“以太〞的假说，更谈不到曳引系数了。

迈克尔孙—莫来实验MSTM1M2 图2-1-2迈克尔孙—莫来于1887年利用灵敏的干预仪，企图用光学方法测定地球的绝对运动实验时先使干预仪的一臂与地球的运动方向平行，另一臂与地球的运动方向垂直按照经典的理论，在运动的系统中，光速应该各向不等，因而可看到干预条纹再使整个仪器转过900，就应该发现条纹的移到，由条纹移动的总数，就可算出地球运动的速度v迈克尔孙—莫来实验的装置如图2-1-2所示，使一束由光源S射来的平行光，到达对光线倾斜450角的半镀银镜面M上，被分成两束互相垂直的相干光其中透射局部沿方向前进，被镜反射回来，到M上，再局部地反射后沿MT进行；反射局部沿方行进行，被镜反射回来后再到达M上，光线局部透过，也沿MT进行这两束光在MT方向上互相干预而在T处观察或摄影，由于臂沿着地球运动方向，臂垂直于地球运动方向，假设= =，地球的运动速度为v，那么两束光回到M点的时间差为当仪器绕竖直轴旋转900角，使变为沿地球运动方向，垂直于地球运动方向，那么两束光到达M的时差为我们知道，当时间差的改变量是光波的一个周期时，就引起一条干预条纹的移动，所以，当仪器转动900后，在望远镜T处看到的干预条纹移动的总数为，式中λ是波长，当l=11米，，所用光波的波长那么△N≈0.4，这相当于在仪器旋转前为明条纹，旋转以后几乎变为暗条纹。

但是他们在实验中测得△N≈，而且无论是在白天、夜晚以及一年中的所有季节进行实验，始终得到否认的结果，就是说光学的方法亦测不出所在参考系〔地球〕的运动状态。