相对性原理在线视频

第二部分这一节的

就是狭义相对论的

一个基本的原理

所谓的相对性原理

这里面相对性原理的核心

说的是一切惯性系

在物理学上都是完全等价的

说的更仔细一点

这个话看起来是很好说

也不难理解似乎

但是真正应用起来

就不见得那么容易

在实验上看

它的意思是说

在不同的惯性系下

做同样的实验

一定会有同样的结果

这是从实验上看

从理论上看是说

任何基本的物理规律

在不同的惯性系里面

都必须有相同的方程的形式

这个是我们电动力学课

或者这一章的后一半

所要重点来去讨论和强调的

当然你会问什么是惯性系

就是如果不受外力

它会做惯性运动

或者叫匀速直线运动

通常是这么说

再有一个是说

在相对论里面

说我们的速度是相对的

就是说你看我在动

但是我看你也在动

到底是谁在动

就是速度是有一个相对性的

那么很重要的是

在狭义相对论里是

我们这个世界里面

是没有一个绝对的

静止参考系的

那你说有的人就把这个推广到

很一般的情况说

什么东西都是

万世万物皆是相对的

实际上不是这样

在物理理论里面

加速度就不是相对的

加速度是

某种意义上是绝对的

这一部分我们谈相对性原理

我们从历史上来去说

历史上我们不去仔细说

直接引用一些结果

实际上分几个不同的时代

早年是所谓伽利略的时代

时间写在这 大概1500年

或者是1600年那个时代

早年是我们认为

地球是世界的中心

然后后来有所谓的地心说

后来有哥白尼的日心说

当年这个日心说和地心说曾经

地心说是主导

后来日心说和地心说

打得昏天黑地

因为我们的日常经验

觉得好像是我们站在地球上

就觉得地球是世界的中心

现在我们知道地球相对太阳是

大概以每秒三十公里的速度

来去做运动

这个当时早年的时候

没有比较仔细的

物理的理论和实验

那么人们只是从直觉出发

那么只能从现象看

觉得这好像是不太对的

那么对日心说的非难

就说如果是太阳是中心的话

这个世界的中心

地球就是绕着太阳转

地球是以很大的

每秒三十公里的速度转

那么我们就觉得

会觉得很不可理解

为什么不可理解呢

从日常的经验

这是当初对这个日心说的非难

对像云和飞鸟那样

能脱离在地面

在空中停留的东西

那么因为地球

在每秒三十公里往前跑

所以这些飞鸟看起来

不可能跟上地球的速度

我们该觉得

它们飞快的像西方运动

因为地球是往东方在转

在跑

说鸟怎么能跟得上这个进程呢

我们看到是

而我们实际看到的是

这个鸟是或东或西

或向别的方向飞行

没有任何的差异

就是说如果地球在飞快的在跑

觉得鸟跟不上

鸟应该很费劲的在追地球才对

但是实际上鸟在自由的飞翔

所以好像是

地球没有在动的感觉

如果我们骑马奔驰时

会觉得吹在脸上的风相当猛烈

当地球在这样一个

逆空气而行的飞速进程中

我们该感觉一股

多么强劲的东风

然而我们却没感觉到这样的影响

没感觉到有强风扑面

所以刚才大气和飞鸟

这些非难拿出来

就普通的人

好像觉得是有道理的

地球不应该在

那么快的速度在运动

再有就是现在我们市面上

都有不同的版本的中文的

关于托勒密和哥白尼

两大世界体系的对话

这个他们来对非难的论证

实际上就说白了是解释

它实际上是那个时代的

相对性原理最早的表述

这个具体的摘录了一些话

把你和一些朋友关在一条

大船甲板下的主舱里面

这个大船干什么

关到那个舱里面

就让你看不见外面

封闭的一个

像我们这一个屋子

完全封闭的

然后再让你们带上几只苍蝇

蝴蝶和其他小飞虫

舱内放一只大水碗

其中放几条鱼

然后挂上一个水瓶

让水一滴一滴的

滴到那个碗里面

宽口罐里面

当船停着不动的时候

小虫以等速向舱内

各个方向飞行

鱼向这个方向随便游动

水滴滴到下面

对着的那个罐子里面

你把任何东西扔给你的朋友时

只要距离相等

向这一方向

不必比向另一方向

用更多的力

因为总感觉说

如果这个船在运动的话

也许你向船运动的方向

你要扔更费力一点

然后你双脚起跳

无论向哪个方向

跳过的距离都相等

这是静止的时候是这样

再使船以任何速度前进

只要速度是匀速的

也不忽左忽右的晃动

就非常稳的慢慢的这么运动

让你感受不到

通过晃动感受到它是运动

然后你又没有窗户

看不到外面

你将发现所有上述现象

丝毫没有变化

你无法从其中

任何一个现象来确定

船是在运动还是停着不动的

即使船运动得相当快

在跳跃时你将和以前一样

在船底板上跳过相同的距离

你跳向船尾也不会比

跳向船头来得远

虽然你跳到空中时

脚下的船底板

向着你跳的相反方向在移动

因为船在运动

你把不论什么东西

扔给你的同伴时

不论他是在船头还是在船尾

只要你自己站在对面

你也不需要用更多的力

水滴将像先前一样

滴进下面的罐子

一滴也不会滴向船尾

虽然水滴在空中时

船已行驶了许多拃

鱼在水中

游向水碗前部所用的力

不比游向水碗后部来得大

它们一样悠闲的游向

放在水碗边缘的

任何地方的食饵

蝴蝶和苍蝇将继续

随便的到处飞行

它们绝不会向船尾集中

因为直觉觉得你船往前走

那些小飞虫跟不上船

它们就都落在后边了

就都积在船尾密度很大

船头就没有

因为船尾的

船头是那些小飞虫

应该死命赶

才能跟上船的速度

并不因为它们长时间留在空中

脱离了船的运动

为赶上船的运动

而显出很累的样子

它们还是自由的飞翔

没有感觉到

呼哧呼哧的要赶那个船

如果点燃香烟

已经看到烟像一朵云一样

向上升起

不像一边去移动

不是说是这个烟就跑到

往后跑了

就是直直的往上跑

所有的这些

用物理学的说法

叫做物体具有惯性

那时候注意还没有惯性定律

就是牛顿第一定律还没有

所有的这些

就是伽利略时代的相对性原理

基本上是说

做任何实验无法确定

刚才我们说的

那个船是在运动的

如果你不看外面的话

在一个封闭的体系里面

那么推到 推而广之最一般的

就是我们没法确定

假定我们是个惯性系

我没办法确定

我们这个惯性系的

运动速度是多少

那么在牛顿的时代

牛顿建立了牛顿的三定律

写下他著名的

自然哲学的数学原理

然后还有万有引力定律

导出开普勒的定律

那么这里面著名的

牛顿第二定律F等于ma

那么人们要更仔细的追究就会问

牛顿第二定律成立

是以什么为参考系

参照物来去成立

那么是什么参考系使它成立

那么牛顿的说法是

存在绝对的空间与绝对的时间

在这个框架下F等于ma

牛顿第二定律成立了

那么相对这个绝对的空间

绝对时间的

做匀速运动的空间和时间

也使F等于ma成立

所有的这些

这是伽利略时代的相对性原理

牛顿时代的相对性原理

这些相对性原理

说的都是力学的现象

所以相对性原理

在这个里面是

只适用于我们的力学的范畴

那么在经典力学里面

不同的惯性系

力学的基本运动规律

是在所有的惯性系都成立

这是相对性原理

然后不同的惯性系之间

是通过所谓的伽利略变换

就说假定两个系

在t等于t撇等于0是重叠的

然后沿x方向运动

这个带撇的系

相对不带撇系速度V

沿x方向运动

那么两个系之间的描述的坐标

就是x一撇等于x减Vt

剩下的都是相同

最重要的是这个时间

是共同的一个时间

有一个绝对的共同的时间

那么有了这个

你两边求它的变化量

测两个时空点

变化量然后比上时间的变化量

就得到速度

那么速度的变化就是这个

这个是大家经验上

都接受这个结论的

那么再做时间变化量

就是加速度 是

所以在这里面加速度是绝对的

是不变的

速度是改变的

这个伽利略变换是不需要推导

就是大家觉得显而易见的

牛顿定律

因为牛顿定律涉及了加速度

加速度是不变的

所以Fma在不同的惯性系下

都是不变的

这个方程也是不变的

这就是我们说的

理论上的相对性原理的表述

那么这是力学现象

我们现在这个课里面

讨论了电磁现象

麦克斯韦方程组

电磁现象是麦克斯韦里面描述的

那么进一步的

就像当初问

刚才问牛顿第二定律

是在什么参考系系成立

那么我们问麦克斯韦方程组

电磁现象我们讨论了

这么久的电磁现象

是在什么参考系下成立的

据说当初麦克斯韦

并没回答这个问题

如果按伽利略变换

按伽利略所谓的时空的观念

一个物质在相对于它

匀速运动的参考系里面

因为我们是电磁波是光速

那么在相对于

一个运动系里面看

它的光速就应该会不一样

至少在某个方向会

在运动那个方向不一样

所以我们在麦克斯韦方程组里

写出来的光速是c

那么在另外一个运动的参考系下

那个光速就不是c了

那不是c了

那你那个我们写的那些方程

就有问题了对不对

那写的方程有问题

什么意思呢

相对性原理就不对了

因为我们那波动方程底下就是c

一直是用的是c的

至少你要承认

伽利略变换的相对性原理

对于我们电动力学不对

因为电动力学

光速只在某一个系下是c

在另外一个系下

按伽利略变换它就

这一块一定要多出这个速度来

那么就问

如果是那样的话

那就意味着

我们讨论的麦克斯韦方程组

讨论的电磁现象

这些都只在一个特定的参考系

就是这个我们所处的世界

这宇宙中有一个特殊的参考系

那个参考系是麦克斯韦方程组

成立的参考系

光速是为c的

这个就和力学就很不一样

力学是所有的惯性系都等价的

没有一个绝对的参考系

而电磁作用

确定了一个绝对的参考系

在那个参考系里

麦克斯韦方程组成立

所以相对那个绝对参考系

的运动

就可以变成是绝对运动

否则的话在力学里面

是没有绝对的运动

大家都是相对运动

那么这个绝对的参考系

进一步的人们说

电磁波是一种波动

波动按我们以前的经验

水波 声波等等

都是某种介质的振动导致的

那么就

既然你又有一个绝对的参考系

那么那个绝对参考系

对应的那个介质

它的振动就是产生了

我们的电磁波

这就把电磁波赋予一个

我们更好理解的一种实体

是那种介质的振动

那种介质就是人们早年

一直寻找的所谓的以太

那么这时候那个介质静止了

就是那个绝对参考系

麦克斯韦方程组成立

其他的都是

都是相对它的运动的

这时候相对性原理

显然就不成立

因为你那个介质静止和不静止

一下就能看出来