文档介绍：§11-2 狭义相对论的基本原理洛伦兹变换
一、相对论产生的历史背景
19世纪末电磁学有了很大发展,1865年麦克斯韦(Maxwell)总结出电磁场方程组,预言了电磁波的存在,并指出电磁波在真空中的速率各个方向均为c ;1888年赫兹(Hertz) 在实验上证实了电磁波的存在。这显然和伽利略变换矛盾,按伽利略变换,光速在一个参考系中若是c,在另一参考系中必不是c。
提出问题:
电磁场方程组在哪个参考系成立呢?
为了不和伽利略变换矛盾,人们假设:宇宙中充满了叫“以太(ether)”的物质,电磁波靠“以太”传播。把以太选作绝对静止的参考系;电磁场方程组只在“以太”参考系成立;电磁波在“以太”参考系中速率各向为c。
按伽利略变换,电磁波相对于其他参考系(如地球)速率就不会各向均匀,而和此参考系相对于“以太”的速度有关。若此,如果在地球上测光速,测得的数值就可能大于c或小于 c。
19世纪末,很多精确的实验和观察(最著名的是Michelson-Morley实验)都得出完全否定的结果,在任何参考系中测得的光在真空中的速率均为c。
以太风
(1)
(2)
是伽利略变换正确而电磁规律不符合相对性原理? 还是电磁规律符合相对性原理而伽利略变换该修正?
爱因斯坦(Einstein)深入分析了此问题,于1905年发表了《论动体的电动力学》作出了对整个物理学都有变革意义的回答。
爱因斯坦(Albert Einstein) (1879—1955) 美籍德国人1921年获诺贝尔物理奖,美国时代周刊评选他为20世纪的世纪人物。
二、狭义相对论的基本原理
1 相对性原理:
物理规律对所有惯性系都是一样的,不存在任何一个特殊的(如“绝对静止”的)惯性系。
这说明:一切物理规律(力、热、光、电、…)对任何惯性系都有相同的形式。
一切惯性系都是等价(平权)的。
任何物理实验都不能确定本参考系的速度。
2 光速不变原理:任何惯性系中,光在真空中的速率都相等。
光速不随光源的运动而变化
光速不随观察者的运动而变化
这样,就必然抛弃了伽里略变换,抛弃了绝对时空观。
三、洛伦兹变换
P
(x, y, z; t )
O
S
O'
S'
X
设S, S/ 两个参考系,S/ 以速度v相对于S运动,二者原点O,O/ 在t= t/=0时重合。我们求由两个坐标系测出的在某时刻发生在P点的一个事件(如从原点发出一个沿OX轴方向传播的光脉冲
)的两套坐标值之间的关系。
S/系中记录该事件的时空坐标为P (x/, y/, z/, t/),S系中记录该事件的时空坐标为P (x, y, z,t);因为两个坐标只在x方向有相对运动,所以在两个坐标中的观察者对同一事件的y及z 方向的坐标测量将得到同样的值,即
y=y/
z=z/
确定