1、第十五章 相对论简介,2 时间和空间的相对性,在日常生活和生产中，用时钟测量时间，用米尺测量长度，也是司空见惯的事情。无论是运动的描述，还是运动规律的说明，都跟时间和长度的测量有关。对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是否是一样的？对上述问题的讨论，物理学经历了一场关于时空观的变革，从牛顿时代的经典力学跨越到爱因斯坦的相对论。爱因斯坦的狭义相对论告诉我们：运动的时钟变慢、运动的尺子在运动的方向上缩短。这到底是为什么？,学习目标,1.同时的相对性 2.运动长度的收缩 3.时间间隔的相对性 4.了解时空相对性的验证 5.了解相对论时空观与经典物理时空观的主要区别,复习回顾,狭义相对性原理：,在不
2、同的 参考系中，一切物理规律都是 的,惯性,相同,相同,光速不变原理：,真空中的光速在不同的惯性参考系中都是 的,一、“同时”的相对性,车上的观察者认为光同时到达车厢的前后两壁,站台上的观察者认为光先到车厢后壁后到前壁,根据光速不变假设，二人说法都是对的。因此，对不同的观察者来说，“同时”是相对的,结论： 1、对于运动的火车上同时发生的两个事件，对于地面就不是同时的 关键：在各个参考系中光速都为c 2、地面上同时发生的两个事件，对于运动的火车也不是同时的 关键：相对运动,根据爱因斯坦相对性原理和光速不变原理，我们自然会得出“同时是相对的”这样一个原理，也就是说，在一个参考系中看来“同时”的，在
3、另一个参考系中却可能“不同时”。,根据爱因斯坦相对性原理，在不同参考系中一切物理规律都是相同的，这里匀速运动规律也一样，据s=ct得t= ，车上观察者看来s相同，c也一样，所以t相同，而对地面的观察者，光向后位移s小，而光速仍然不变，所以向后运动的光需要较短时间到达后壁。,因为火车速度相对于光速来说太小，在光传播的短时间内，火车位移不大，我们不能发现这么短的时间差。如果火车速度接近光速，这一现象一定很明显。,那么为什么我们平时不能观察这种现象呢？,相对与观察者：沿着运动方向靠后的一些事件先发生。,在相对火车K静止的坐标系中观察，火车K中点有一光源发出光同时到达AB两车厢壁，则在运动的火车L中静
4、止的人观察到光到达AB两壁是否还相同？试分析？,火车L中的人以自己为参考系认为自己静止不动，则火车K 以速度v 向自己驶来，闪光发出的时候还在车厢中点，但是闪光在飞向车厢前后壁的过程中，火车向B 端驶过一小段距离，所以闪光到达A车厢壁的路程短，应该先照亮A 车厢壁。,一节长为10米的列车，A在车后部，B在车前部。当列车以0.6c的高速度通过一个站台的时候，突然站台上的人看到A先向B开枪，过了12.5毫微秒，B又向A发射。因而站台上的人作证：这场枪战是由A挑起的。但是，车上的乘客却提供相反的情况， 他们说，是B先开枪，过了10毫微秒， A才动手。事件是由B发动的。,到底是谁先动手呢？没有绝对的答
5、案。在这个具体事件中，谁先谁后是有相对性的。在列车参考系中，B先A后，而在车站参考系中则是A先B后。,在十几个毫微秒时间内，光信号走不到十米远，所以A和B开枪动作的先后是相对的。,光速不变性保证了因果关系的成立，保证我们不会看到任何倒因为果的现象。,典例精析,地面上的人认为A、B 两个事件同时发生。对于坐在火箭中沿两个事件发生地点连线平行的人来说哪个事件先发生？地面上的人凭什么认为A、B 两个事件同时发生？,A、B 两个事件的发生可以看成两盏 灯发出的闪光，它们同时发生则意味着发出的闪光同时到达了A、B 连线的中点 ，地面上的观察者以此判定A、B 两事件同时发生。,火箭上的人以自己为参考系认为
6、自己静止不动，而地面在向自己飞来，因此在闪光飞向中点的过程中，中点在向自己移动，因此他认为同时传到中点的光线并非同时发出的，而是B先发出，因为B离中点远，所以他认为B事件先发生。,二、长度的相对性,一火车以速度v 匀速行驶，地面有一人利用固定在地面上的尺子同时读出M、N两点的坐标，得出地面坐标系中杆的长度，对于车上的观察者会如何评论地面观察者的测量过程呢？试分析。,车上的观察者认为，地面参考系的人先读取N点的读数，而后才在M 点读数。,车上的人认为地面观察者把杆长测短了！,结论长度收缩效应或尺缩效应： 一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。,对于这个结论我们需要了解：,1.这个
7、效应是真实存在的，并非幻觉。,2.仅在沿着运动方向上的长度会收缩，垂直于运动方向上的长度不会收缩。,3.这个效应是相对的，即高速运动的物体上的人也会看到地面上的物体沿运动方向长度变短。,4.物体的运动速度越大收缩效应越明显。,三、时间间隔的相对性,一列在平直轨道上以速度v 高速运行的列车上固定一长为l 的细杆，列车从地面上静止的观察者A 身边经过。试分析：列车上的观察者B 和地面上的观察者A 认为杆通过观察者A 的时间间隔各为多少？,列车上的观察者B 认为该事件经历的时间间隔为tl/v,地面的观察者认为细杆长为l，通过自己所用的时间为:,该表达式中涉及两个惯性参考系中的时间，其中一个参考系是相
8、对时钟静止的，则其读出的是“固有时间间隔”，称为原时，而运动的惯性参考系中测出的时间称为“坐标时间间隔”t，由表达式可以看出t，说明运动的时钟所描述的物理过程变慢了，动钟变慢。,结论时间膨胀或者动钟变慢效应：地面上看，运动的物体上的时间进程比地面上慢。,对于这个结论我们需要了解：,1.运动时钟变慢效应是时间本身的客观特征，即并非感觉上变慢，而是真实的变慢。,2.这个时间进程包括物理、化学过程、生命过程，甚至人的动作、人的新陈代谢都变慢了。,3.这个效应是相对的，即运动的物体上的人认为一切都很正常，而地面上的时间进程变慢了。,4.运动的速度越大，这个效应越明显。,时间的相对性（时间膨胀、动钟变慢
9、）,时间的相对性（时间膨胀、动钟变慢）的简要推导：,在参考系S中，光线来回所需时间为t2d/c,那么，相对参考系S静止的钟测出的时间为t，这个时间称为固有时间间隔，或者原时。,而在参考系S中，看到光线应该沿着斜边从x1到达x2，根据几何关系不难得出下列表达式：,我们设想甲、乙是一对孪生弟兄。他们计划做一次高速飞船旅行，来检验一下狭义相对论。甲留在发射基地，乙周游天外。当飞船再度回到基地时，是甲比乙年轻，还是乙比甲年轻？ 这里有两种答案：（1）甲看乙船上的钟变慢了，所以，甲说乙应该比他更年轻一些。（2）乙也看到基地的钟变慢了，所以乙说甲应该比他更年轻些。这是个有名的疑难，叫“双生子佯谬”。,问题
10、的关键是乙要回到出发点。乙的飞行路线必然是有来有去，或者是转一个圈子。因此，在甲看来，乙是在做有速度变化的运动，在乙看来，甲相对于他也在做变速运动。 按照运动钟变慢的理论，甲看乙钟变慢，乙看甲钟变慢这种对称性，只有当甲和乙的相对运动速度不变时，才能保持。或者说，只有互相作匀速直线运动的两个惯性参考系， 互相之间才是等价的。一旦出现了变速的相对运动，就不能使用这种对称性了。,甲和乙都生活在宇宙间。他们周围还有大量天体。因此，双生子问题中有三个因素：甲、乙和他们周围的宇宙，如果甲留在基地上，他相对于大量天体并没有做变速运动。在甲看来，只有乙在做变速运动。在乙看来，情况与甲不同。他不但看到甲在做变速
11、运动,而且整个宇宙都在做变速运动。一边是整个周围的宇宙，一边只是一个飞船，这是明显的不对称性。所以由对称性引起的两难是不存在的。 那么，到底谁年轻呢？,四、时空相对性的实验验证,1966年，真的做了一次双生子旅游实验，用来判断到底那个寿命长，同时也一劳永逸地结束了纯理论的争论。不过旅游的不是人，仍然是子。旅途也不在天外，而是一个直径大约为十四米的圆环。子 从一点出发沿着圆轨道运动再回到出发点，这同乙的旅行方式是一样的。实验的结果是，旅行后的子的确比未经旅行的同类年轻了。 我们似乎可以这样作结论了：谁相对于整个宇宙做更多的变速运动，谁就会活得更长久。佯谬也就不存在了。,实验一,1971年铯原子钟
12、实验,将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢59纳秒和快273纳秒。,实验二,地球以一定的角速度向东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）。飞机的速度总小于地球自转速度，所以无论飞机向东还是向西，它相对于惯性系都是向东，只是前者速度大，后者小。而地面上的钟的转速度介于二者之间。,这暗示着，人要活得更长久，应该不断地向东飞去，使得地球的转动速度叠加上飞机的速度。,上述实验表明，相对于惯性系转速越大的钟走得越慢。这和孪生子问题所预期的效应是一致的。所以似也不应再说：“孪生子佯谬”，而应是孪生子效应了。,牛顿物理学的绝对时空观：物理学的空间与时间是绝对分离没有联系的，脱离物质而单独存在，与物质的运动无关。 而相对论认为：有物质才有时间和空间，空间和时间与物体的运动状态有关。 人类对于空间、时间更进一步的认识而形成的新的时空观，是建立在新的实验事实和相关结论与传统观念不一致的矛盾基础上，不断发展、不断完善起来的。,五、相对论的时空观,Thank You !,
