爱因斯坦的狭义相对论的简述

爱因斯坦的狭义相对论的简述
爱因斯坦的狭义相对论的简述

爱因斯坦的狭义相对论的简述
狭义相对论
special relativity
适用于惯性系,从时间、空间等基本概念出发将力学和电磁学统一起来的物理理论.1905年由A.爱因斯坦创建 .这个理论在涉及高速运动现象时,同经典物理理论显示出重要的区别.
产生 到19世纪末,经典物理理论已经相当完善,当时物理学界较为普遍地认为物理理论已大功告成,剩下的不过是提高计算和测量的精度而已.然而某些涉及高速运动的物理现象显示了与经典理论的冲突,而且整个经典物理理论显得很不和谐：①电磁理论按照经典的伽利略变换不满足相对性原理,表明存在绝对静止的参考系,而探测绝对静止参考系的种种努力均告失败.②似乎存在着经典力学无法说明的极限速度.③电子的质量依赖于它的速度.在这种形势下,有见地的物理学家预感到物理学中正孕育着一场深刻的革命.爱因斯坦立足于物理概念要以观察到的事实为依据,而不能以先验的概念强加于客观事实,他考察了一些普遍的物理事实和经典物理学中如运动、时间、空间等基本概念,看出以下两点具有根本的重要性,并把它们作为建立新理论的基本原理：①狭义相对性原理,不仅力学实验,而且电磁学实验也无法确定自身惯性系的运动状态,也就是说,在一切惯性系中的物理定律都具有相同的形式.②光速不变原理,真空中的光速对不同惯性系的观察者来说都是c.承认这两条原理,牛顿的绝对时间、绝对空间观念必须修改,异地同时概念只具有相对意义.在此基础上,爱因斯坦建立了狭义相对论.
内容 洛伦兹变换 根据相对性原理和光速不变原理,可导出两个惯性系之间时空坐标之间的洛伦兹变换.当两个惯性系S和S′相应的笛卡尔坐标轴彼此平行,S′系相对于S系的运动速度v仅在x轴方向上,且当t＝t′＝0时,S′系和S系坐标原点重合,则事件在S系和S′系中时空坐标的洛伦兹变换为
x′＝γ（x－vt）,y′＝y,z′＝z,t′＝γ（t－vx／c2）式中γ＝（1－v2／c2）-1/2；c为真空中的光速.洛伦兹变换是狭义相对论中最基本的关系,狭义相对论的许多新的效应和结论都可从洛伦兹变换中直接得出,它表明时间和空间具有不可分割的联系.当速度远小于光速 ,即v玞时,洛伦兹变换退化为伽利略变换,经典力学是相对论力学的低速近似.
同时性的相对性 在某个惯性系中看来异地发生的两个事件是同时的,那末在相对于这一惯性系运动的其他惯性系看来就不是同时的,因此在狭义相对论中,同时性概念不再具有绝对的意义,只具有相对的意义.不仅如此,在不同惯性系看来,两异地事件的时间顺序还可能发生颠倒；但是具有因果联系的两事件的时间顺序不会发生颠倒.同时性的相对性是狭义相对论中非常基本的概念,时间和空间的许多新特性都与此有关.
长度收缩 狭义相对论预言,一根沿其长度方向运动速度为v的杆子的长度l比它静止时的长度l0要短,
l＝l0
.
长度收缩不是物质的动力学过程,而是属于空间的性质.它是由于测量一根运动杆子的长度须同时测量其两端,在不同惯性系中,同时性具有相对性,因而不同惯性系中得出的结果不同,只具有相对的意义.
时间延缓 狭义相对论预言,运动时钟的时率比时钟静止时的时率要慢.设在S¢系中静止的时钟测得某地先后发生两事件的时间间隔为Δτ,在S系中,这两个事件不是发生在同一地点,须用校准好的同步钟测量,测得它们先后发生的时间间隔为Δt,Δτ＝Δt＜Δt.时间延缓是同时性的相对性的结果,是时间的属性,不仅运动时钟的时率要慢,一切与时间有关的过程如振动的周期、粒子的平均寿命等都因运动而变慢.
速度变换公式 按照狭义相对论,当S′系和S系相应坐标轴彼此平行,S′系相对于S系的速度v沿x方向,则质点相对于S系的速度 u＝｛ux,uy,uz｝和相对于S¢系的速度u'＝｛u'x,u'y,u'z｝之间的变换关系为
当u玞时,相对论速度变换公式退化为伽利略速度变换公式.
相对论多普勒频移 设光源相对静止时发射光的频率为v0,当光源以速度u运动时,接收到光波频率为v＝0,狭义相对论预言, ,式中θ为光源运动方向与观测方向之间的夹角.与经典的多普勒效应不同,存在着横向多普勒频移,当光源运动方向与观测方向垂直时,θ＝90°,则 .横向多普勒频移是时间延缓的效应.
质速关系 狭义相对论预言,与经典力学不同,物体的质量不再是与其运动状态无关的量,它依赖于物体的运动速度.运动物体速度为v时的质量为,式中m0为物体的静质量,当物体的速度趋于光速时,物体的质量趋于无穷大.
关于狭义相对论中的质量,还存在另一种观点,认为只有一种不变的质量,即物体的静质量,无法明确定义运动质量.两种观点对于狭义相对论的基本看法上没有分歧,只是对质量概念的引入上存在分歧.后一种观点在概念引入的逻辑严谨性上更为可取,而前一种观点对于某些物理现象,如回旋加速器的加速限制、康普顿效应以及光线的引力偏折等,作浅显说明颇为有效.
质能关系 狭义相对论最重要的预言是物体的能量E和质量m有当量关系,E＝mc2.与物体静质量m0相联系的能量E0＝m0c2.质能关系是核能释放的理论基础.
能量动量关系 狭义相对论中动量定义为
,能量动量关系为.
极限速度与光子的静质量 真空中的光速c是一个绝对量,是一切物体运动速度的极限,也是一切实在的物理作用传递速度的极限.从质速关系可以看出一切以光速c运动的物质的静质量必为零,光子的静质量为零.
在狭义相对论中,牛顿定律f＝ma的形式不再成立,它在洛伦兹变换下不能保持形式不变,因而它不满足相对性原理而必须修改,代替的力学规律的形式是f＝dp／dt,式中p为物体的动量.电磁场的麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式f＝q（E＋u×B）在洛伦兹变换下形式保持不变,它们是狭义相对论的电磁规律.在狭义相对论中,动量守恒、能量守恒定律仍然成立,能量守恒包括了质量守恒.
在经典物理学中,物理定律总是表述为把时间坐标和空间坐标分开来,洛伦兹变换表明时间坐标和空间坐标应作统一处理.H.闵可夫斯基发展了狭义相对论的形式体系,采用在四维时空中表述物理定律和公式.这样的表述,相对论的协变性质表达得更为明晰,物理定律的形式更为简洁,许多问题的求解也更为简便.
意义 狭义相对论经受了广泛的实验检验,所有的实验都没有检测到同狭义相对论有什么不一致的结果.狭义相对论是基础牢靠、逻辑结构严谨和形式完美的物理理论.广泛应用于许多学科,和量子力学成为近代物理学的两大理论支柱.在现代物理学中,成为检验基本粒子相互作用的各种可能形式的试金石,只有符合狭义相对论的那些理论才有考虑的必要,这就严格限制了各种理论成立的可能性.