基本原理在线视频

大家好

我们现在开始介绍

电动力学第五章

狭义相对论的第二节

相对论基本原理和洛伦兹变换

这一节是谈我们

狭义相对论的最基础的东西

我们在第一节里面

把一些背景进行了交代

那么这一节就开始正式的进入

狭义相对论的最基础的内容

包括基本原理

伽利略变换和基本的洛伦兹变换

这都是狭义相对论最基本的东西

首先谈基本原理

早年在狭义相对论提出来之前

洛伦兹就提出过

所谓的长度的收缩假设

说沿着以太运动的方向

长度会有收缩

洛伦兹是不承认

不同的惯性系时间会不一样

还承认绝对的时间

它只是用一个长度有收缩

就是运动系有一个收缩

这么一个结果

那么爱因斯坦提出来的

是大家可能都是知道的

实际上是两条

一个是相对性原理

就是所有的惯性系

参考系都是等价的

我们在上一节说过

在这之前人们说的

都是力学里的相对性原理

现在爱因斯坦把它推广到

所有的物理学规律

在这里面特别我们谈

电磁作用谈电磁现象

所以是谈的电磁作用

所有的惯性系也都是等价的

再有一个很重要的就是

光速不变原理

它是说在真空中

光速在任何一个惯性系里面

沿任何的方向都是光速C

然后与光的频率和光的光源

是否运动是没有关系的

这两条是狭义相对论

最基础的原理

所有狭义相对论结果

都是从这儿开始延伸出来的

相对性原理

就是我们上一节所讨论的

它告诉我们是在不同的惯性系

做同样的实验就会有同样的结果

那么基本的物理规律

在不同的惯性系

因为他看的实验结果一样

所以他写出来的方程样子

应该是一样的

这个很重要

这个是我们这一章的后面

就要把所有的力学和电动力学

所有物理方程全按这种要求

写成所谓的相同的形式

那么再有所谓速度是相对的

就没有一个绝对的静止

通过我们的物理测量

力学 电磁学等等

所有这些你没办法测出

有绝对的运动

相对性原理看起来还是

从理论上还是比较容易接受的

它用所谓理性的力量

挑战了以前在这之前

200多年的理论和实验

上一节我们已经说了很多

关于相对性原理的讨论

那么在这一节里面

我们可能更多的是来说

光速不变原理

光速不变原理告诉我们

光波和其他的波动不同

因为其他的波动

通常是和参考系是有关的

不同参考系速度是不一样的

而光波的速度是和参考系无关的

现在说的光速 光波

实际上是更一般的

我们在电动力学讨论的

电磁波的一个特例

实际上是最一般的是说电磁波

那么没有以太

不存在以太

电磁波不再是以太的振荡

电磁波不再像

我们的声波水波那样

是一个介质在振动

就出现的波动

那么怎么理解

这个电磁波不是以太的振动

现在一种流行的观点是

因为我们电磁波认为是物质

而我们通常说的

依赖于介质的那些波

声波 水波这些

我们不会把它叫成物质

声波不是物质

水波不是物质

水是物质

它的介质是物质

空气是物质

但是声和水不是物质

而电磁波自己是物质

认为物质可能就不需要

有它的背后的介质去说

当然这只是一种观点

你可以进一步的引申去讨论

是不是这是一个普遍的现象

普遍的结果

那么光速不变原理

有的人会觉得说

这个也许可以把它嵌入到

相对性原理

实际上在狭义相对论里

这是一个独立的原理

很重要的

人们是要用光速不变原理

来去定义时间

不同的参考系的时间的差别

定义时间

或者说用日常生活的

就是不同参考系不同的时钟

就是对钟

或者是定义同时性

比如说像这个

r是在一个参考系里的距离

r′是在另外一个参考系的距离

那么你要是用光速

在一个参考系里

走了这个r这个距离

然后它除上光速就可以定义一个

在这个参考系里边的时间

那么在另外一个参考系

它如果是光速C

也可以定义另外一个时间

如果这个速度

不是和参考系是有关的话

那你这个的时间定义就会有问题

就不是所谓的普适的

那么很重要的

就说我们通过距离要去定义时间

一定要有一个速度这个量

是普适的

这样才能定义一个

普适意义上的时间的定义

如果你时间

根本就没有给出定义的话

你好多事情就没法谈

比如说我们现在谈

所有的惯性系都是等价的

惯性系的定义里面

是依赖于时间的定义的

匀速直线运动

你必须有时间的

没有时间的定义

根本就没有惯性系定义

所以在这里面

就是说用光速不变原理

先可以

先来去定义时间

就通过一个参考系的时间

定义另外一个参考系的时间

定义了时间

然后才有后边的

整整的一套的东西

这些东西在我们这一节的后面

还会不断的来去说

再有一条

所有到目前为止的实验

都是验证的双程光速

就是一束光过去再回来

回到这个地方

单向的光速到现在为止

都是没有实验验证的

理论上人们也没找到什么办法

能够通过实验去验证单向光速

就是往一个方向的光是光速不变

我们的光速不变原理

所以在这个里面与频率

与光源没关

这两条实际上都是

可以实验直接检验的

但是沿这一个方向为c

就说沿这个方向是c

回来的方向也是c

任意方向为c

这个是不可以

原则上就是不可检验的

到现在为止也没有办法检验

我们现在的这个就是

很重要这是一个假设

而这个假设实际上

在相对论里面也很重要

后面我们会再去说

这是人们谈光速不变

我们上一节提到过

迈克尔逊－莫雷实验

去找相对于我们的以太

做运动那个系下光速的改变

人们不断的改进这些实验

这就是早年的迈克尔逊－莫雷实验

他应该是算的以光速

比上我们现在标准的数值

就是相对以太静止的系下

那个光速比值

然后按那个比值如果是等于1

就是标准的我们现在的相当于

相对以太静止系的那个光速

然后就是想尽各种办法

相对运动去测量它的改变

所以测偏离原来的数值差别

这个已经差了好多个量级了

现在十几年前人们测到了是

差别是差距到每秒1厘米

注意我们

迈克尔逊－莫雷实验

那个一个条纹

是大概每秒好像5公里

所以就是说非常小的

你要是从那个条纹来说

移动非常一点点

因为你说移动的很小的时候

你是看不出来

很难鉴别它到底移动没移动

说这个光速不变

还有狭义相对论

我们后面会看到

光速是最大的速度

是没有任何的物理的实体

能够有超光速运动的

那么这一个结论

也在实验物理学家

不断的去寻找超光速的东西

就是实验物理学家

他们独立的去找

比较轰动的一个乌龙事件

是六年前

有一个所谓的OPERA实验组

在欧洲核子中心

声称发现中微子有超光速的现象

当时是正式发表了文章

他们从核子中心

有七百多公里的距离

但是当时发表出来

有很多理论家就不太相信

那么他们9月份发表出来结果

然后隔了两个月再次分析

还是觉得确认他们原来的结果

但是到

又过了到次年2月份

他们就发现

发布这个新闻

因为当时是很轰动的

发现了超光速

发现了他们实验里面

有做的不对的地方

其中最重要的是这一条

是他们有一个接口

光纤的一个接口没插牢

他们发现两个效应

两个效应造成一个是

可能是效应是反的

对这个实验数据修正反的

最后确认就是

实际上是没有超光速

是实验没做好

以至于最后他们实验组内部

负责人就是辞职

实际上这种超光速的这个现象

这是几年前出现的

在我们的物理学界不是第一次

比如说这个是2007年

MINOS实验组也曾发现过

声称发现过超光速现象

费米实验室1979年的实验

也曾声称过

然后当初1987年的超新星爆炸

人们也发现说好像是有超光速

但是那时候就是

中微子接收的信息

和发觉有超光速的

但是人们后来用其他的方式

来去解释说不可超光速也可以

就是说关于超光速的这些现象

实际上断断续续会有报道

但是到现在为止

物理学界都还没有被确认

说是实验上有看到过

就是有被确认的是超光速现象

所以大家现在还是普遍的是认为

实验上是没有看到超光速现象

这是给大家介绍一下背景情况