c 299 792 458 ms 1
1m是光在真空中1/299792458秒内所经过的 距离。
8
二、光速不变原理的实验验证 1、Michelson-Morlay 实验（1881–1887）
当时认为光在“以太”（ether）中以速度c 传播设。“以太”相对太阳静止。
B L2
S P
地球公转
u
A
f

q2
4 0r
2
S 系：电力加磁力 f f 1 u2 c2
力与参考系有关！ 19
修改电磁学定律，还是修改伽利略变换？ 电磁学定律：实验验证是正确的 伽利略变换：适用于低速情况。高速情况？
爱因斯坦：修改伽利略变换 低速高速 绝对时空观相对论时空观 伽利略变换洛仑兹(Lorentz)变换
15
三、光速不变原理的数学表达
设S 系相对S系作匀速直线运动
y y

u
S S
x
O O
x
z z
当 O 和 O 重合时，由原点发出闪光。
规定：O 和 O 重合时 t t 0
16
y y

u
S S
ct ct
x
O O
x
z z
因光速与参考系的运动无关，则无论在S 系 还是在S系中观察，闪光的波前都是球面，球
c
“追光实验”
按照伽利略变换
v c u
光的传播速度，真的与参考系有关吗？
7
一、光速不变原理 电磁学理论给出真空中电磁波的传播速度为
c 1 00 其中 0 和 0 都是与参考系无关的常数。
真空中光速与参考系无关（即与光源的运动 和观察者的运动无关），不服从伽利略变换。
1983年国际规定：真空中的光速为物理常数
可见光速与光源运动无
关。发射理论是不对的。
12
还 有 其 他 实 验 否 定 发 射 理 论 ， 例 如 Phys. Lett., T. Alvager at al, 12(1964)260 ：
同步加速器产生速度为0.99975 c 的 0
0 +
沿0 运动方向测得的运动速度，与用静止辐 射源测得的速度(光速c) 极其一致！
20
爱因斯坦《论动体的电动力学》1905
相对性原理：
物理规律（包括力学规律）在一切惯性参考 系中都具有相同的形式，即对物理规律来说， 一切惯性系都是平等的。不存在任何一个特殊 的惯性系，例如绝对静止的惯性系。
狭义相对论 运动学和动力学
在上世纪初，发生了三次概念上 的革命，它们深刻地改变了人们对 物理世界的了解，这就是狭义相对 论（1905）、广义相对论（1916） 和量子力学（1925）。
2
Albert Einstein
1879 –1955
3
狭义相对论运动学
§1 光速不变和爱因斯坦相对性原理 §2 洛仑兹变换 §3 同时性的相对性和时间延缓 §4 长度收缩 §5 因果性的绝对性 §6 洛仑兹协变矢量（补充） §7 相对论速度变换
与参考系无关。 但是，“发射理论”和“以太
拖曳假说”似乎还可以维护以太的存在。
11
2、双星观测结果否定发射理论
A
B
v
周期：T
1A
L
A 2 v
cv
cv
t1
t2
如果光速与光源运动有关
t1

c
L v
t2

c
L v

T 2
因此可能出现 t1 t2 ，同一
时刻观测到同一颗星处于来自不同位置 — 从未观测到。4
狭义相对论动力学 §8 四维动量 质量 §9 质能关系 能量—动量关系 §10 相对论粒子动力学方程 §11 四维动量守恒和不变量的应用 §12 力的相对论变换 §13 广义相对论简介
5
狭义相对论（一） 相对论运动学
陈信义 编 2005.1
§1 光速不变和爱因斯坦相对性原理 S S' 火车 u
tPBP
2L2 2L2 c2 u2 c 1 u2 c2
t

t PBP
tPAP

2 c
L2 1 u2
c2
L1 1 u2
c2
干涉仪转90°后 ，时间间隔变成
t

t PBP
tPAP

2 L2 c 1 u2
c2

L1

1 u2 c2
L1
干涉条纹
实验目的：干涉仪转 90° ， 观 测 干 涉 条 纹 是 否移动？
实验结果：条纹无移动 (零结果)。以太不存在 ，光速与参考系无关。
9
B L2
S P
地球公转
u
A
L1
按照伽利略速度变换
t PAP

L1 L1 cu cu

2L1 c (1 u2
c2)
v c2 u2
心分别是O和O，而半径分别等于ct和 ct 。
因此，闪光波前的方程应该为
17
y y

u
S S ( x,0,0, t)
ct ct
O O
( x,0,0, t)
x
x
z z
S: x2 y2 z2 c 2t2 光速不变原 S: x 2 y 2 z 2 c 2t 2 理数学表达
结果表明，光速与光源运动无关。
下面的恒星光行差现象，可以否定“以太拖 曳”假说。
13
3、恒星的光行差（J.Bradley，1727）
观察恒星时，望远镜必须倾斜。
恒星
tg

uΔt cΔt

u c

3 104 3 108
光行差角： 20.5
如果“以太”被地球拖曳，
ct
u 光到地球附近要附加速度u，观
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干涉仪转90°引起时间差的变化为
t
t
L1
c
L2
u2 c2
由干涉理论，时间差的变化引起的移动条纹数
N

c( t t)


L1


L2
u2 c2
对于 L1 L2 22m, u 3104 m s, 589nm
N 0.40
但实验值为 N 0 ，这表明以太不存在，光速
令 y z 0, y z 0，x 0, x 0，则有
x ct，x ct
在x( x)轴上接收到闪光这一事件的时空关系18 。
四、爱因斯坦相对性原理 还有一些电磁学规律不服从伽利略变换。例如
SS uq u
r
qu
按照伽利略变换：力与参考系无关
按照电磁学：S 系：静电力
地球公转 察恒星时望远镜不必倾斜。
ut
以太拖曳假说也不对!
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爱因斯坦对麦克尔逊－莫雷实验的评价：
“还在学生时代，我就在想这个问题了。 我知道迈克耳逊实验的奇怪结果。我很快得 出结论：如果我们承认麦克尔逊的零结果是 事实，那么地球相对以太运动的想法就是错 误的。这是引导我走向狭义相对论的最早的 想法。”