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1、第六章狭义相对论SpecialTheoryofRelativityAlbert·Einstein阿尔伯特·爱因斯坦(1879—1955)相对论的创始人:Albert·Einstein（阿尔伯特·爱因斯坦）1905年，狭义相对论（SpecialTheoryofRelativity）1916年，广义相对论(GeneralTheoryofRelativity)“IfrelativityisprovedrighttheGermanswillcallmeaGerman，theSwisswillcallmeaSwisscitizen，andtheFrenchwillcallmeagre
2、atscientist.IfrelativityisprovedwrongtheFrenchwillcallmeaSwiss，theSwisswillcallmeaGerman，andtheGermansandthewillcallmeaJew.”—Albert·Einstein前几章中，我们讨论了经典电动力学的基本理论和有关规律，但是讨论的范围限于“静止”介质中的电磁场。本章将着重讨论动体的电动力学，即研究时空理论，阐述狭义相对论的实验基础、基本原理、数学工具和相对论电动力学。本章将着解决电动力学中的几个问题：第一,麦克斯韦方程组究竟对于哪一个参考系是正确的？第二，从一个
3、参考系变换到另一个参考系时，基本规律的形式如何改变？第三，基本物理量如何变换？本章内容狭义相对论的实验基础狭义相对论的基本原理闵可夫斯基空间和洛仑兹变换相对论的时空性质相对论力学电磁规律的相对性理论§6.1狭义相对论的实验基础ExperimentFoundationsoftheSpecialTheoryofRelativity1、经典力学的相对性原理大家知道，自由粒子在其中作匀速运动的坐标系称为惯性系。经典力学中的一个基本原理也就是伽利略相对性原理,它表示：运动定律从一个惯性系变换到另一个惯性系时，运动定律的形式保持不变。也就是说，一切作机械运动的惯性系是等价的。在牛顿力学
4、中，认为空间距离和时间间隔是绝对的,与参考系无关。这种认为也称绝对时空观。为了精确地研究物质在空间和时间中的运动过程，我们从物质运动中抽象出“事件”的概念。在无限小的空间元中无限短瞬间内发生的物质运动过程叫做一个事件。物质运动可看作是一连串事件在时空中的发展过程，在一个参考系中，总是用一定的时间t和空间(x,y,z)来描述一个事件。在牛顿绝对时空观中要求：a)时间是绝对的两个事件在系中的时间间隔和在∑系（相对于∑的运动速度为）中的时间间隔相同，即如果两事件在∑系中是同时的（），则系中也是同时的（），同时性是绝对的。这就是说，假设宇宙中各处存在着一个跟参考系的选择无关的、不受
5、物质运动过程影响的、统一的普适时间，时间与空间没有任何联系；不论有无任何其他客体，绝对的、真实的时间本身，永远无条件的、均匀地流逝着。b)长度是绝对的在给定时刻，两个质点∑系中的距离和它在系中的距离相同，即这就是说，假设长度（或两个同时事件之间的距离）与参考系选择无关；物质的广延性不受其运动状态的影响。2、伽利略变换如果两个惯性系和∑的坐标轴彼此平行，在时，两坐标系的原点重合，并且系相对于∑系的沿x轴方向运动。P(x,y,z,t,x’,y’,z’,t’)x,x’0’0zz’y∑y’∑’设在P点站着一人，按了一个闪光灯，在∑系中观察者看来，按灯的这个现象发生于t时刻、（x,y
6、,z）点；在系中观察者看来，按灯这个现象发生于t’时刻、（x’,y’,z’）点；这两组数（x,y,z,t）与（x’,y’,z’,t’）之间的关系是与时空观有关的。根据经典时空观，得到写成矢量形式为：这就是伽利略变换，它集中地反映了牛顿的绝对时空观。根据伽利略变换，可得事件的速度变换：即在牛顿力学中，认为物体的质量和它的速度无关，于是可得：即这说明牛顿力学中的运动方程在伽利略变换下基本方程保持形式不变。3、迈克尔逊—莫雷（Michelson-Morley)实验由于在伽利略变换下，Maxwell’sequations不能保持其形式不变，这是因为从Maxwell’sequatio
7、ns得到电磁波在真空中的传播速度为c的结论。如果Maxwell’sequations在伽利略变换下保持不变，则在任何惯性系中电磁波在真空中的各个方向速率都应该等于c，那么在另一个与它有相对运动的惯性系中，该电磁波的传播速度不可能各向都是c。由此可见，在不同的惯性系中，电动力学的规律并不相同。如果确实如此，从牛顿绝对时空观出发，电磁波只能够对一个特定参考系的传播速度为c，进而Maxwell’sequations也就只能对该特殊参考系成立。电磁现象不服从传统的相对性原理。历史上，把这个在绝对时间和绝对空间（长度）假设下
