8.1 时空变换在线视频

同学们好

下面我们学习狭义相对论

狭义相对论是由爱因斯坦在1905年提出的

19世纪末 经典物理学已经相当成熟

一些科学家认为

往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已

但就在这个时候

看似晴朗的物理学的天空 却出现了两朵乌云

第一朵乌云是

测量地球相对“以太”运动的否定结果

与存在绝对静止的“以太”参考系之间的矛盾

由此导致诞生了相对论

第二朵乌云是

黑体辐射的实验规律与经典的能量均分定理相矛盾

由此导致量子力学的诞生

相对论和量子力学是近代物理学的基础

深刻的改变了人们对物理世界的认识

时间和空间 简称时空

物质的存在和运动 与时空的性质紧密相关

时空是自然界演化的背景和舞台

所以物理学对时空的研究一直受到重视

物理学对时空的研究 大概分成三个阶段

牛顿力学阶段 狭义相对论阶段和广义相对论阶段

牛顿力学和狭义相对论 对时空的认识只限于惯性系

牛顿力学和狭义相对论只在惯性系中成立

但是我们知道 万有引力的存在

使自然界不存在严格的惯性系

所以 只有在远离各大星体

引力场足够弱的区域内

牛顿力学和狭义相对论才近似的成立

其中 牛顿力学只对低速情况下成立

关于时空和引力的严格理论是广义相对论

狭义相对论包括相对论运动学和相对论动力学

运动学只涉及时空的变换

而动力学是研究高速物体的质量 动量和能量等物理量

在相互作用下的变化规律

我们先讨论 相对论运动学

大概分这么五节

我们先看 狭义相对论的建立

设有一列火车在地面上做匀速直线运动

速率是0.8c

c是真空中的光速

我们现在 有两个结构完全相同的钟

两个钟 和两把完全相同的尺

在同一参考系中

这两个钟走的一样快

我把这两个钟放到一块儿的时候

它们走的一样快

比如 秒针走一个格都是1秒

我把这两把尺放在一块儿

它们的长度严格相等 比如都是1米

好 我现在呢 把其中的一个钟和一把尺放在火车上

其中一个钟放在火车上 我们叫动钟

相对于在地面上的这个钟 叫静钟

放在火车上的尺 叫动尺

留在地面上的尺 叫静尺

所以 我们就把两个钟和两个尺

一个是动钟 一个是静钟

一个是动尺 一个是静尺

一定要注意 这两个钟完全一样 这两把尺也完全一样

并且把两把尺沿着火车运动的方向放置

这两把尺是平行的

沿着火车运动方向

好 我们现在问 动钟和静钟哪个走的快

动尺和静尺哪个短

注意 它们放在一块儿 走的是一样快的

它们放在一块儿 是一样长的

但是 动钟放在火车上 动尺放在火车上

问 动钟和静钟哪个走的快

动尺和静尺哪个短

就是说 我在地面上观测

这个动钟 那个秒针走一个格用多长时间

如果大于1秒就说明它走的慢

小于1秒就说明它走的快

我在地面看这把尺 看这把动尺

它是多长 如果长度大于1米 就说明它比静尺长

小于1米 就说明它比静尺短

我就问这个问题

牛顿力学是这样回答的

动钟和静钟走的一样快

动尺和静尺一样长

在低速情况下 这是个实验结果

但是狭义相对论告诉我们 动钟比静钟慢

动钟的秒针走一个格 用的时间是1.67秒

动尺比静尺短

在地面观测 动尺的长度是0.6米

我们的条件是 这个速度是0.8c

所以 提出这个问题和回答这个问题 就表明了

时间和长度的量度 与参考系的关系问题

有没有关系

牛顿力学认为没有关系

狭义相对论认为是有关系的

实验表明 狭义相对论的结果是正确的

这一节就讲到这儿 谢谢