关键概念：相对性和不变性。 伽利略变换与狭义相对论的基本原理不符。 崭新的现代时空观，引起了物理学的一次大革命， 把物理学由经典物理带入了近代物理的相对论世界。
6.2 6.3狭义相对论的基本原理 洛伦兹变换
第六章 相对论
和光速不变紧密联系在一起的是：在某一惯性系中同时发
生的两个事件，在相对于此惯性系运动的另一惯性系中观察， 并不一定是同时发生的。
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第六章 相对论
一 狭义相对论的基本原理
1）（狭义）相对性原理：物理规律在所有的惯 性系中都具有相同的表达形式 。
即：物理定律与惯性系的选择无关，对物理定律 来说，所有惯性系都是等价的。
2）光速不变原理： 真空中的光速是常量，它与光 源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的选择。
3) 爱因斯坦理论带来了观念上的变革。
牛顿力学：时间、长度、质量、相互作用力的测量均与参照系无关。
狭义相对论： 时间、长度、质量测量的相对性，与参照系有关。 我们不应当以适用于低速情况的伽利略变换为根据去讨
论光速应该如何如何，而应当反过来，用光速不变这个实验 提供的事实作为前提和基础，去讨论正确的时空变换。
说明同时具有相对性，时间的量度是相对的 。 长度的测量是和同时性概念密切相关。
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第六章 相对论
1) 第一条原理是对力学相对性原理的推广。否定了 绝对静止参照系的存在。
2）这条原理实际上是对实验结果的总结。它表明：在 任何惯性系中测得的真空中的光速都相等。说明光速 与观察者及光源的运动状态无关。
能满足这两条基本原理的变换就是洛仑兹变换。
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二 洛伦兹变换
设有两个惯性系S系和S’系，各坐标轴相互平
行。 S’ 系相对S系以 u的速度沿 ox 轴运动。
设 ：t t' 0 时，o, o'重合 ; 事件 P 的时空
坐标如图所示：
由光速不变原理和狭义 相对性原理，可得到洛 仑兹坐标变换：
人们始终没有测出地球相对以太的运动，这说明电磁
学理论与伽利略变换有矛盾。从而动摇了整个经典力学的 基础。

人们为维护“以太”观念作了种种努力， 提出了各种 理论 ，但这些理论或与天文观察，或与其它的实验相矛盾， 最后均以失败告终 。
电磁理论与经典时空观之间的矛盾该如何解决？
1905年，年仅26岁的爱因斯坦，在仔细分析了电磁现象和 经典力学理论之间的矛盾后，以他独特的思维方式，大胆地 提出了两个新的科学假设，并在此基础上创立了狭义相对论。
—— 寻找“ 以太风” 的热
s
y
s'
y'
1)
u
2)
o o'
z
z'
c
c x'
x
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第六章 相对论
为了测量地球相对于“以太”的运动 ，1881年迈 克尔孙用他自制的干涉仪进行测量，没有结果。1887 年他与莫雷以更高的精度重新做了此类实验，仍得到 零结果，即未观测到地球相对“以太”的运动。
遍认为光的传播也需要一种介质。人们将传播光的介
质称为“以太”。认为以太是绝对静止的参照系。而
地球相对于以太是运动的。所以，在地球上沿不同的
方向测光速，将有不同的结果。同时可以测出地球相
对于以太的速度u。 潮Ｓ 系：以太
Ｓ’系：地球
按照伽利略变换：
1) 则地球上测得的 光速应为：c -u
2) 则地球上测得的 光速应为：c +u
s s' y y' P(x, y, z,t) *( x', y', z', t ) u
x' x ut
o o'
x'
1 (u / c)2
x
y' y z' z
t ux / c2 t'
1 (u / c)2
z
z'
相对论因子：
1
1 (u / c)2
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仪器的灵敏度可判断0.01
根条纹的移动量。 ——“零结果”。
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但是，这个实验和其他实验都表明，不论光源和观察 者做怎样的相对运动，光速都是相同的。这些否定的结果 使当时的物理学家感到震惊，因为它和传统的观念，例如 速度合成的法则，是矛盾的。
以上结论都得到实验的证明，说明电磁场理论是正确的。
光速与参照系无关的结论与牛顿时空观是完全排斥的。
疑问 ？ 光速 c 是相对那个参照系的速度？
对于不同的惯性系，电磁现象基本规律的形式 是一样的吗 ？
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我们知道，机械波传播需要介质。当时，人们普
他们把一束光分成互相垂直的两束，一束的传播 方向和地球运动的方向一致，另一束和地球运动的方 向垂直，然后使它们发生干涉。如果不同方向上的光 速有微小的差别，当两束光互相置换时干涉条纹就会 发生变化。由于地球在宇宙中运动的速度很大，希望 它对光速能有较大的影响。
理论计算：实验装置旋转90o，干涉条纹将有0.04 根条纹宽度的移动。
洛伦兹变换：
x' x ut 1 (u / c)2
x'ut' x
1 (u / c)2
y' y
y y'
z' z
t ux / c2 t'
1 (u / c)2
z z'
t'ux' / c2 t
1 (u / c)2
正变换 S→S’
逆变换 S’→S
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第六章 相对论
狭义相对论产生的实验基础和历史条件
在19世纪中叶，人们研究的高速运动的物质主要 是光和电磁波。关于电磁波的基本理论就是麦克斯韦 在1865年建立的电磁场理论，该理论预言了电磁波的 存在，并在1888年赫兹从实验上加以证实。
播速度由为该：理c论可得1 ，，光是（一即个电恒磁量波，）参在照真系空无中关的。传 00
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第六章 相对论
Albert Einstein ( 1879 – 1955 )
20世纪最伟大的物理学家, 于 1905年和1915年先后创立了狭义相 对论和广义相对论, 他于1905年提 出了光量子假设, 为此他于1921年 获得诺贝尔物理学奖, 他还在量子 理论方面具有很多的重要的贡献 .