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以太说虽经多方改良但已很难维持局面，18年后有人便 乾脆提出一个全新的革命学说，此人就是爱因斯坦.
他26岁时在专利局作着小职员，听到了迈克尔逊的一系 列实验和洛伦兹修修补补的解释， 便大笔一挥连续写了三篇 论文，就是那个为相对论扫清了道路的迈克尔逊，至死也不 敢相信的相对论原理。1931年，当他79岁第一次见到爱因斯 坦时，这位老前辈遗憾地说，“我真没想到，我的实验反倒 促成了相对论这样一个怪物的诞生。”
迈克尔逊的实验结果一宣布立即在物理学界引起一场轩 然大波，因为以太一旦被否定，城门失火，殃及池鱼，那牛 顿力学的绝对时空观将要从根本上动摇。已经伴随人们过了 两个世纪，指导物理学家作出无数发现的牛顿力学现在突然 失灵了，经典物理学家金碧辉煌的大厦突然出现了裂缝。于 是各国的物理学家们纷纷提出各种方案来挽救以太，总希望 迈克尔逊的实验能有另一种解释。
长度缩短，相对静止时测得的长度最长。
l0
A
A
B
x1
B
x
x2 x
t
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§4 洛仑兹变换 速度变换
一个叫洛仑兹的物理学家。发现了洛仑兹变换，这其实已经非 常接近狭义相对论的数学表达式了，但洛仑兹没有给出数学公式的 物理意义。
在光速不变原理和相对性原理的基础上，爱因斯坦推出了两个惯 性系之间的坐标变换关系，这个关系就是洛伦兹等人早已得出的变 换公式。不过，爱因斯坦是在不知道洛伦兹等人的工作的情况下， 独立推出这一公式的。
y x1 u x2 x
lx2 x1 据伽利略变换 x1 x1ut x2 x2ut l x 2 x 1 x 2 x 1 l
长度测量是绝对的
运动杆同时测
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时空观宇宙观哲学、宗教
哥白尼的日心说，揭开了现代自然科学的序幕。
托勒密改进和完善了地心说
托勒密的地心说还是哥白尼的日心说， 都认为宇宙是有限的球体。
t1 +t 时刻B 在x2= x1+ ut 处。lx2x1ut
t（静）是棒的两端相继通过S系中同一点两事件的时间间隔.
S 系中认为x1点(钟)以速度u 相继通过 B 和A ，
t l0 u
tt
1u c2 2
l0 u
1u c2 2
S S u
t
t (静 )
1
u2 c2
l ut l0 1uc22
l l0
直到一九八○年，才又经罗 马教廷复议平反，宣布取消。这 是科学史上时间拖得最长的一起 冤案。
伽利略受审
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§2 狭义相对论基本原理
1.狭义相对论的基本原理
牛顿力学麦克斯韦电磁理论（1864年）
(1)电磁场方程组不服从伽利略变换, (2)真空中的光速是一个恒定的常数。
迈克耳逊—莫雷实验：
以伽利略变换为基础来观测地球上各个方上 光速的差异。由于地球自转，据伽利略变换， 地球上各个方向上光速是不同的，在随地球公 转的干涉仪中应可观测到条纹的移动。
哥白尼提出《天体运行论》日心说
布鲁诺则声称宇宙 在空间和时间上都 是无限的。宇宙不 仅在空间上无边无 限，在时间上也没 有开始和结束。
教会对布鲁诺的 理论感到恐惧和 愤怒，他被监禁 了7年，从不屈 服。最终被教会 判处火刑。
布鲁诺塑像 9
由于宣传哥白尼的日心说，伽利略在1616年受到宗教裁判所的 警告。冒然出版了宣传日心说的《关于两大世界体系的对话》后， 他受到宗教裁判所的审判，在1633年被判终身监禁。他被迫跪在法 庭上做了“认罪”声明。
1
“牛顿啊，请原谅我，你所发现的道路，在你所 在的那个时代，是一位具有最高思维能力和创造力的 人所能发现的唯一道路。你所创造的概念，甚至今天 仍然指导着我们的物理思想，虽然我们现在知道，如 果要更加深入地了解各种联系，那就必须用另外一些 离直接经验领域较远的概念来代替这些概念。”
——爱因斯坦在纪念牛顿诞生300周年 纪念会上的讲话
这个“怪物”是在1905年诞生的。爱因斯坦给当时的权威 杂志《物理学纪年》写去一篇只有三页的论文。论文中他没有 引用任何一个权威人物的结论，全是自己的语言，自己的思想 。
由于人们的思想长期受到传统观念的束缚，一时难于接受 崭新的时空观，爱因斯坦创建狭义相对论的论文发表后，相当 一段时间受到冷遇，被人们怀疑甚至遭到反对。
tt0 M 发一光信号
事件1： A接收到闪光
事件2： B 接收到闪光
研究的问题： S、S系两事件发生的时间间隔.
S ：M 处闪光，光速为C
AMBM A 、B 同时接收到光信号
S S
事件1、事件2 同时发生。
S：M 处闪光，光速也为C
A 、B 随S 运动 A 迎着光，应比B 早接收到光。
同时具有相对性！
一切物理规律
力学规律
爱因斯坦的理论 观念上的变革
是牛顿理论的发展
牛顿力学 时间标度、长度标度、质量的测量. 国际单位制
与参考系无关，速度与参考系有关. (相对性)
狭义相对论力学 光速不变
长度、时间测量的相对性
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爱因斯坦“大脑”实验
S 爱因斯坦火车
S 地面参考系
在火车上，A、B 分别放置信号接收器，中点M 放置光信号发生器.
5
在两个惯性系中 a a
（二）伽利略的相对性原理
S S : : F F m m a a F F m m a a
伽利略
牛顿力学中： 相互作用力是客观的，分析力与参考系无 关。质量的测量与运动无关。
宏观低速物体的力学规律在任何惯性系中形式相同。
1
1
u2 c2
t
t (静 )
1
u2 c2
tt
时间膨胀 时间间隔的测量相对性
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长度测量相对性
讨论沿运动方向的长度测量 (长度两端的坐标必须同时测量)， 同时性是相对的，长度测量必然是相对的。
AB 固定在 x 轴上，长度为l0 。求S系中的长度l
S系中t1 时刻B 过x1 , t1 +t 时刻A 过x1 ,棒速度为u.
光相对以太（绝对静止）的速度为 C.
S (地球）：按照加利略变换 vx vx u
光向右速度：c u，向左速度：c u
S
S ， S
cu cu
存在一个时间差(光行差)
迈克耳逊—莫雷实验（1881年）用足够 始终没有找到，
精度的光学仪器来找这个时间差.
否定的结果。
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物理学家想出一个假设，说宇宙间充满一种很稀薄的物 质，天体或其他物体间的作用就靠它作媒介，笛卡儿借用古 希腊的哲学名词，叫它为“以太”。重要的是，以太的存在 正好说明牛顿的绝对时空观，有了这么一个绝对静止的以太 才会有地球、太阳等一切相对于它的运动，要不那些星球的 运动拿什么来参照？
或 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变。

如：动量守恒定律
S : m 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 m 0 2 v 20
S : m 1 v 1 m 2 v 2 m 1 v 1 m 0 2 v 2 0
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2. 经典力学时空观 据伽利略变换，可得到经典时空观 (1) 同时的绝对性 在同一参照系中，两个事件同时发生 t1 t2 据伽利略变换，在另一参照系中， t1 t2 在其他惯性系中，两个事件也一定同时发生。 (2)时间间隔的测量是绝对的 在同一参照系中，两个事件先后发生，其间隔为 tt2t1
迈克耳逊 1852-1931 德 裔美国物理学家，同莫 雷·爱德华一起证明以太 这一假设的电磁波媒介 的不存在，因其光谱学 和气象学的研究获1907 年诺贝尔奖。
实验背景：早期人们类比声波，认为光也是通过某种介质——以太传播的。 以太：宇宙中存在一种看不见的弹性介质，充满整个宇宙，并且认为以太应 该是绝对静止的参考系。
S r x,y,z,t v x,y,z,t
a
S r x,y,z,t v x,y,z,t a
y Sy S uP
ut x
正变换 S S
o o
x x u ,y t y ,z z ,t t z z x
x
4
伽利略变换 正变换 S S
x x u ,y t y ,z z ,t t
逆变换 SS
x x u t,y y ,z z ,t t
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爱因斯坦的观点：
(1)相对以太的运动不存在以太不存在绝对静止不存在。
(2)真空中的光速是一个恒量,它和参照系的运动状态无关。
本质：否定了绝对静止、否定了加利略变换 经典力学的时空观。
狭义相对论的基本原理 (基本假设)
爱因斯坦提出：
(1)一切物理规律在任何惯性系中形式相同 —— 相对性原理. (2)光在真空中的速度与发射体的运动状态无关 —— 光速不变原理.
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迈克尔逊干涉仪就是一亿分之一秒的光行差也能测得出来 , 但是没有测出这种以太引起的光行差！
结论只可能有两个：要么是地球根本就没有动，要么以 太这东西根本就不存在。这天体运动经哥白尼发现到牛顿最 后证明是决不能怀疑的。相比之下倒是以太说还有一点漏洞 ，看来宇宙间根本就不存在什么以太。迈克尔逊本是想以精 确的实验为以太的存在提供证据，不想结果适得其反，却从 根本上否定了以太。
迈克尔逊开始研究找以太的办法。
他想地球这只小船在以太海洋里以每秒三十公里的速度 航行，我如果向逆着以太风的方向和垂直于以太风的方向同 时射出一种东西，根据经典力学原理它们的合成速度肯定不 同。如果能测出这种差别不就证明以太确实存在了吗？用什 么东西来做这种实验呢？这当然是它得心应手的武器－光。 他这样不断地研究改进，到1887年终于在莫雷的合作下完成 了物理学史上那个很著名的实验。这年爱因斯坦才八岁，他 万没想到一个物理学前辈现时正在为他向相对论进军扫清道 路呢。
第3章 相对论基础
( special relativity )
§3-1 经典力学相对性原理与时空观 §3-2 狭义相对论基本原理 §3-3 狭义相对论的时空观 §3-4 洛仑兹变换 速度变换 §3-5 相对论动力学基础