文档介绍：第五章   相对论与宇宙观
§ 狭义相对论
§ 广义相对论
§ 现代宇宙观
第五章相对论与宇宙观
§§“以太”零漂移
17世纪初,法国哲学家、数学家、物理学家笛卡儿继承并发展了古希腊的“以太”观念,形成了“以大学说”:
“原始混沌的物质弥漫整个空间,并做旋转运动,形成漩涡。”“以太是构成空间的原料。”他用以太漩涡理论解释各种自然现象,这种理论很快被人们接受。
可是,按照波动理论必须赋予“以太”以多种奇异的特性——它既是极轻的极稀薄的流体,对天体运行毫无阻力,又要具有弹性模量比钢还大的固体弹性,以便传递横波。“以太”具有这两种水火不相容的奇异特性是十分难以想象的。
奇特的“以太”在何方,它究竟是什么东西,成为19世纪和20世纪初物理学家们特别注目的问题。既然假定“以太”充满整个空间和物体中,那么运动物体是否会对“以太”产生影响,“以太”是否被拖曳?这为科学家们探索“以太”提供了最佳途径。
1818年,菲涅耳在给法国政治家、物理学家阿拉果的信中提出了部分拖曳假说。他认为,整个空间的“以太”是静止的,透明体中的“以太”可以部分地被这一物体拖曳。
从菲涅耳部分拖曳理论出发,依据运动的相对性可知,物体在静止“以太”中运动,就相当于“以太”相对于物体飘移,运动物体就受到了与其运动方向相反的“以太风”。地球绕着太阳在真空(静止以太)中运动,其速度为每秒30公里,自然应该探测到“以太”对于地球的飘移。测定“以太”飘移成了物理学家们探索与研究“以太”的新途径。
“以太飘移”的测定,是由美国实验物理学家迈克尔逊和莫雷于1886年完成的。
迈克尔逊—莫雷实验得到了“以太飘移的零结果”。自此后,近50年中有11位科学家发表了13份精确实验数据,都得到了“以太飘移的零结果”。这是对“以太”存在与否的判定性实验。
迈克尔逊-
莫雷实验装置
§ 狭义相对论的创立
一、相对论的先驱
1899年彭加勒提出了“以太”不存在的可能性;
1904年彭加勒明确地表示,应该把相对性原理从力学现象扩展到各种物理现象;
在1904年出版的《科学与假设》中,彭加勒指出,绝对空间是不存在的,绝对时间是没有的。我们所能理解的只不过是相对运动而已。所谓两个事件经历的时间相等的说法是没有实际意义的。
二、爱因斯坦发现狭义相对论
1、狭义相对性原理:
公设1:一切运动定律(不限于力学运动定律)在所有惯性系里都一样地成立;并没有哪一个惯性系是特殊的。
公设2:光速不变原理。
2、狭义相对论的建立
爱因斯坦发现电动力学的方程并不具有伽利略变换的不变性,但他认定相对性原理为一切物理定律都必须遵循的原则,那末就会想到两惯性系之间必有新的时空变换来取代伽利略变换
爱因斯坦正是以光速不变原理为前提,又考虑到时间和空间的均匀性,便轻而易举地推导出反映时空联系的洛伦兹变换。
1905年6月,爱因斯坦发表了划时代论文《论动体的电动力学》,宣告了新时空理论的诞生。
相对论动力学在低速时会过渡到牛顿力学,那就表明相对论体系已包含了牛顿力学;或者说,爱因斯坦以其相对论时空观改造了牛顿力学,使其推广成为相对论动力学。
更确切地说,牛顿力学反映低速范围的物质运动规律,而相对论适合于的物质运动范围,可反映以光速传播的电磁场运动规律和在小于光速的范围内的力学运动规律,其中不仅包括高速运动、也包括低速运动。
(2) 时间延缓效应
时间延缓效应即意味着时间的相对性。为便于理解,以“爱因斯坦火车”为例说明之。
从车厢底部向顶部的反光镜发射一强光脉冲,尔后光脉冲被反光镜反射回底部,见图。
“动钟变慢”又称作时间膨胀(或时缓)效应。
影视资料片:时钟变慢
孪生子效应
设想一对年华正茂的孪生兄弟,哥哥告别弟弟,登上访问牛郎织女的旅程。归来时,阿哥仍是风度翩翩一少年,而前来迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了。这真应了古代神话里“天上方一日,地上已七年”的说法!
按照相对论,运动不是相对的吗?上面是从“天”看“地”,若从“地”看“天”,还应有“地上方一日,天上已七年”的效应。为什么在这里天、地不对称?这便是所说的“孪生子佯谬 twin paradox”。