“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的 优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”
这两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦－ 玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题，也就是指在迈克尔逊－莫 雷实验和黑体辐射研究中的困境。
经典物理学的困难—两朵乌云
经典物理学的困难 Michelson–Morley实验否定了“以太”的存在. 黑体辐射的实验结果与基于经典统计理论中能量均 分假说导致的结论不相符合. 一旦深入到分子、原子领域，一些实验事实和经典 理论发生矛盾或无法理解。
逆变换
x x '+ u t ' y y' z z' t t'
结论：
在两个惯性系中
a a '
速度变换
vx ' vx u vy ' vy vz ' vz
加速度变换
a x ' a x a y ' a y a z ' a z
力学相对性原理
力学现象对一切惯性系来说都具有相同的形式 牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变
去”)时空点的影响,而这
x 个“现在”的时空点也 可能影响所有在上方的
光锥内的时空点(“未
来”).
在光锥外的时空点(“其
解答 阿呆所处的参考系不是惯性参考系！ 否则，阿呆回不来！ 1971年铯原子钟模拟实验完成，证实了 广义相对论效应.
时空图与因果关系
以(x, y, z, ct)为四个坐标轴，构成四维时空. 其中每个点称为世界点 两个世界点之间的距离称为时空间隔
d s 2 ( c d t ) 2 d x 2 d y 2 d z 2
间间隔，与在另一惯性系中观察（为发生在两个地点 的两个事件）的时间间隔的关系.
=0=
0 1 2
结论:原时最短
Lorentz变换的结论
双生子佯谬(twin paradox) 阿呆和阿瓜是双胞胎,阿呆坐宇宙飞船
以接近光速到太空旅行,多年后回地球,却 赫然发现阿瓜比自己年老许多,可是根据 狭义相对论,阿瓜也应该发现阿呆比自己 老许多,究竟出了什么问题?
相对论与量子论 Relativity &
Quantum Theory
经典物理学的成就
经典物理学的成就
1875年，德国基尔有一位名叫马克斯· 普朗克的年轻人犹豫不决，不知道这辈子 究竟是该从事数学还是该从事物理学。人 们由衷地劝他不要选择物理学，因为物理 学的重大问题都已得到解决。他们斩钉截 铁地告诉他，下个世纪将是个巩固和提高 的世纪，不是个革命的世纪。
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: 在任何惯性系中，光在真空中的速率都相同.
Einstein 的相对性原理是力学相对性原理的发展
一切物理规律
力学规律
Lorentz变换(transformation)
为什么是线性关系?
对称性
Lorentz变换(transformation)
Laplace 拉普拉斯(1749-1827，法国天文学家、数学 家): 给定了方程和初始条件，宇宙的一切都是可以预测的.
经典物理学的困难—两朵乌云
经典物理学的困难
１９００年４月２７日，伦敦的皇家研究所，举行了一场重要的 科学报告会。开尔文男爵的演讲《在热和光动力理论上空的１９ 世纪乌云》。７６岁的开尔文爵士以其特有的爱尔兰口音激动地 作着结论:
四维时空正交变换称为广义Lorentz变换，改变时间 间隔和空间间隔，但是不改变时空间隔.
ds 2 0 tim e-like
ds 2 0 light-like
ds 2 0 space-like
时空图与因果关系
t
每个“现在/这里”的 时空点都有一个光锥,这
y
个时空点可能受到所有 下方光锥内时空点(“过
Lorentz变换(transformation)
前提条件:OO’重合时，t=t’=0, 时钟校对好 空间P点在S系中t时刻发生物理事件 ？？为什么把问题弄复杂了？
Lorentz变 换
x x u t
y z
y z
t
t
u c2
x
引入:uc
1 12
Lorentz变换的结论
同时的相对性 在 S’ 系中不同地点同时发生的两事件，在 S 系中这
S系： F,m ,a Fm a S'系 ： F',m ',a' F'm 'a'
经典力学的绝对时空观 对于不同空间地点不同时刻发生的事件
r2r2r12r'2r'12r'2 r 2 r '2
tt2t1 t'2t'1 t'
t t '
狭义相对论的基本假设
麦克斯韦方程组不服从伽利略变换 爱因斯坦的狭义相对论基本假设
Galilean变换
问题 同样的现象对于不同的观察者会如何表现？ 同样的现象在不同的坐标系中如何描述？ 原则 物理规律与参照系无关.
Physics independent of coordinates.
rr'roo#39; x u t y ' y z ' z t ' t
两个事件不是同时发生的. 在 S’ 系中相同地点同时发生的两事件，在 S 系中这
两个事件还是同时发生的. 低速空间“同时性”与参照系无关!
长度缩短效应 方法:在某一参照系中测棒的长度棒，就要测量它的
两端点在同一时刻的位置之间的距离
l l0 1(v/c)2
结论：原长最长
Lorentz变换的结论
时间膨胀 在某惯性系中，同一地点先后发生的两个事件的时
以后物理学家的工作就是把一些数据小 数点后面多添加几位。
经典物理学的成就
经典物理学的成就 牛顿力学——支配天体和力学对象的运动; 杨氏双缝实验——确定了光的波动性； Maxwell方程组的建立——把光和电磁现象建立在牢 固的基础上；
统计力学的建立——将个体规律与集体规律联系在 一起. 乐观情绪笼罩整个物理学界
为什么原子不坍塌; 光谱线为什么是分立的； 钠蒸汽为什么会发射黄光，即有标志谱线； 重核会发生α衰变… …
经典物理学的困难
经典物理学的困难
狭义相对论 及其基本结论
狭爱 义因 相斯 对坦 论 论 文年
的
1905 .
Galilean相对性原理
Galilean相对性原理 The laws of mechanics must be the same in all inertial frames of reference.