经典力学的困难
在 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 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
, .
时间间隔
空间间隔的绝对性
在 系中 , 推出 。(同时测量)
在 系中 ,。
得到 .
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
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:
利用 进行变换,发现形式上不相同。
光速是否符合伽利略速度变换。
掷球实验
时刻 A 加速球, 时刻球出手。
时刻,B 看到 A 开始投球的动作。 时刻,B 看到球离开 A 手的情况。
但是如果 很大,得到 ,因果律被破坏。
狭义相对论的基本假设
狭义相对性原理:一切物理规律在任何惯性系中形式相同。
光速不变原理:在所有惯性系中,真空中的光速相同为 ,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
地面参考系。在火车上 放置信号接收器
时间间隔的相对性
相对于 系静止:
称为固有时或者本征时。
如果在 系中观察,得到

洛伦兹长度收缩
如果在 系中尺的长度是 ,那么在 系中的观测者测量为


宇宙射线进入大气层时与大气微粒碰撞形成 介子。
如果没有时间膨胀:
时间膨胀:
如果在 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 和 , 轴和 轴方向相同而且重合, 系相对于 系以速度 沿 轴正方向运动。两个惯性系分别有自己的计时系统。
在 方向上考虑到 对参考系 是 动长,故在 系中测得 点的坐标:
解得
在 系中测量 。
得到
解得:
坐标变换式:
当 ,得到 。伽利略变换。
时间变换:
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

时空间隔不变性
定义四维空间间隔
当其中的一个事件为 时。
相对论质量和动量
动量守恒在洛伦兹变换下保持不变。
实验表明相对论质量:
时为物体的静止质量;
时, 与牛顿力学一致。
相对论动量:
相对论动力学方程
力定义为:
当 为恒力 ,得到
当 时,得到 趋于 0.
相对论能量 质能关系
相对论动能
运动能量静止能量 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 情况下:
利用上述表达式解出 ,得到
相对论总能量
总能量相对论动能静止能量 相对论动量能量关系
由
平方之后可得:
同乘 ,得到
以 取代:
对于光子,静质量为 0,上式变为:。

粒子的速率:由 相对论动能
得到
得到 。
相对论动量 。
习题
时间间隔的相对性与空间间隔的相对性(钟慢尺缩)令 .
洛伦兹变换
其中 是 相对于 的速度。
洛伦兹速度变换 其中 是 相对于 的运动速度, 是物体相对于 的运动速度 是物体相对于 的运动速度。
相对论质量 推出相对论动量 .
相对论能量(动能) 运动能量静止能量 质能方程 .
相对论动量能量关系 当是光子,静止质量为 0 时,.