经典力学的困难

S 系中空间各点放置无穷系列的时钟,这些时钟与该惯性系保持相对静止、彼此同步。一个事件的时空坐标 (x,y,z,t) 由该事件发生的地点及该处的时钟记录下来。

同时性和时间间隔的绝对性

同时性

t2=t1, t2=t1.

时间间隔

Δt=t2t1Δt=t2t1=Δt

空间间隔的绝对性

S 系中 P1:(x1,y1,t1)P2:(x2,y2,t2) 推出 L=x2x1。(同时测量)

S 系中 P1:(x1,y1,t1)P2:(x2,y2,t2)

得到 L=x2x1=(x2ut2)(x1ut1)=x2x1.

牛顿:时间和空间是与物质的存在和 运动 无关的,是绝对不变的。考虑物体的运动,得出了 狭义相对论 Special Relativity

牛顿牛顿的绝对时空观

{x2x1=x2x1t2t1=t2t1
{vx=vxuvy=vyvz=vz
{ax=axdudtay=ayaz=az

宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同。力学的基本运动规律在所有惯性系中可以表示为相同形式。

伽利略变换的局限性

一维电磁波动方程:

2x2Φ(x,t)1c22t2Φ(x,t)=0

利用 x=xut 进行变换,发现形式上不相同。

2x2Φ1c22t2Φ+2uc22xtu2c22x2Φ=0

光速是否符合伽利略速度变换。

掷球实验

t=t10=0 时刻 A 加速球,t=t1 时刻球出手。

t=t20=L/c 时刻,B 看到 A 开始投球的动作。t=t2=t1+L/(c+u) 时刻,B 看到球离开 A 手的情况。

但是如果 L 很大,得到 L/c>t1+L/(c+u),因果律被破坏。

狭义相对论的基本假设

  1. 狭义相对性原理:一切物理规律在任何惯性系中形式相同。

  2. 光速不变原理:在所有惯性系中,真空中的光速相同为 c,与光源和观测者的运动无关。

狭义相对论的时空观

同时性的相对性

S 地面参考系。在火车上 A,B 放置信号接收器

时间间隔的相对性

相对于 S 系静止:

Δt0=2dc

Δt0 称为固有时或者本征时。

如果在 S 系中观察,得到

l=d2+(uΔt2)2Δt=2dc11u2c2=Δt01u2c2

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洛伦兹长度收缩

如果在 S 系中尺的长度是 L,那么在 S 系中的观测者测量为

L=L1u2c2

image-20230504223856808

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宇宙射线进入大气层时与大气微粒碰撞形成 μ 介子。

如果没有时间膨胀:

s0=uτ644 m

时间膨胀:

Δt=τ1u2c2
s=uΔt1.02×104 m

如果在 μ 子上看:大气层的厚度变短了。尺缩效应。

洛伦兹变换

设有两个惯性参考系 SSx 轴和 x 轴方向相同而且重合,S 系相对于 S 系以速度 u 沿 x 轴正方向运动。两个惯性系分别有自己的计时系统。

x 方向上考虑到 x 对参考系 S动长,故在 S 系中测得 P 点的坐标:

x=ut+x1u2c2

解得

x=xut1u2c2=γ(xut)

S 系中测量 x

x=ut+1u2c2x

得到

x=γ(x+ut)

解得:

t=γ(t+uc2x)

坐标变换式:

{x=γ(xut)y=yz=zt=γ(tux/c2)

uc,得到 γ1。伽利略变换。

时间变换:

t2=γ(t2+ux2/c2)t1=γ(t1+ux1/c2)
Δt=t2t1=γ(Δt+uΔx/c2)

因此只有两个事件在同时同地点发生,在所有参考系来看才是同时的。

洛伦兹速度变换

利用

vx=dxdt=dxdtdtdt

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时空间隔不变性

定义四维空间间隔 (Δs)2

(Δs2)c2Δt2[(Δx)2+(Δy)2+(Δz)2]

当其中的一个事件为 (0,0,0,0) 时。

(Δs)2=c2(Δt)2[(Δx)2+(Δy)2+(Δz)2]=c2[γ(Δt+uc2Δx)]2[γ2(Δx+uΔt)2+(Δy)2+(Δz)2]=(Δs)2

相对论质量和动量

动量守恒在洛伦兹变换下保持不变。

p=mv

实验表明相对论质量:

m=m01v2/c2

相对论动量:

p=m(v)v=m01v2c2v

相对论动力学方程

力定义为:

F=dpdt=ddt(m0v1v2c2)

F 为恒力 F0,得到

dvdt=(1v2c2)3/2F0m0

vc 时,得到 dv/dt 趋于 0.

相对论能量 质能关系

相对论动能

Ek=mc2m0c2

从形式上,相对论动能表达式和经典力学表达式完全不同,但是在 vc 情况下:

Ek=m0c21v2c2m0c2=(1+12v2c2+38v4c4+)m0c212m0v2

利用上述表达式解出 v,得到

v=c[1(1+Ekm0c2)2]1/2

相对论总能量

mc2:=E=Ek+m0c2

相对论动量能量关系

m=m01v2c2

平方之后可得:

m2c2=m02c2+m2v2

同乘 c2,得到

m2c4=m02c4+m2v2c2

p=mv,E=mc2 取代:

E2=m02c4+p2c2

对于光子,静质量为 0,上式变为:E=pc

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粒子的速率:由 相对论动能

Ek=mc2m0c2=nm0c2

得到

m=(n+1)m0c2=m01v2c2

得到 v=c11(n+1)2

相对论动量 p=m0v/1v2/c2=n2+2nm0c

习题