第五章狭义相对论　§5.1 历史

§5.1 历史

　　1、伽利略（Galileo）变换

　　　　狭义相对论建立之前的整个物理学，都是建筑在绝对时空观基础上的。这种观念认为，时、空与物质运动是可以独立存在的。

　　　　在某个时刻、某个地点发生的一个现象称为事件(event)。

　　　　描述一事件的参数为(x,y,z,t)。例如，在惯性系S中有一事件发生于(x,y,z,t)；在惯性系S‘中有一事件发生于(x',y',z',t')，且

S'相对于S以速度v运动。则：

　　　　　　─ 伽里略变换(Galilean transformation)

　　　　其变换动画如下（动画3-1）：

　　2、伽利略相对性原理

　　　　根据伽利略变换，时间间隔和空间间隔的度量在惯性系S和S‘ 中是一样的，不会因参照系的运动而变化。因此，在伽利略变换

下时空是绝对的。

　　　　一个质点的速度、动量对不同的参考系有不同的数值，但对于任何一个惯性参考系，任何力学规律都是等价的。这称为伽利略相

对性原理。

　　3、经典理论的困惑

　　　　理论方面：由麦克斯韦（Maxwell）电磁场方程组得知：电磁波在真空中各方向的速率都为 c，光是电磁波。按照牛顿时空观

点，不同参照系中观察到的光速是不同的，因此，电磁波只能够对一个特定参照系的传播速度为c，因而麦克斯韦方程组也就只能对该特

殊参照系成立。

　　　　这个特殊的参考系在哪？

　　　　实验方面：双星的像为什么清晰？

　　　　背离地球运动。依据伽利略速度变换，A 发出的光，光速是 c+v，B 星的光速则是 c－v。经过半个周期，A、B 星易位，B

星光速变为 c+v了。如果双星离地球足够远，B 星的c+v光将超过自身的 c－v光而先到达地球，其结果可能无法看清双星的像。

　　　　然而，望远镜中双星的像十分清晰！光速似乎与光源的运动无关！（动画3-2）

　　　　解答上述问题成为19世纪末物理学的一个重要课题。当初人们将这归结为“以太”（ether）的存在。

　　4、“以太”问题

　　　　为满足以上要求，以太必须具有一些令人难以捉摸的性质，如没有质量、完全透明、非常刚性、对运动物体没有阻力等。寻找以

太是当时实验物理学家的重要课题。其中最著名的是Michlson－ Morley实验．

　　　　若以太是绝对参考系，则它是绝对静止的，一切物体都“浸泡”其中，地球也不例外。因而地球自转和公转的运动将使不同方位

的迈克尔逊干涉实验条纹产生变化。

　　　　1887年Michlson－ Morley计算出当臂长l = 11m时，589nm的钠光产生的条纹最大改变量为0.4。

　　　　但结果根本看不到条纹变化！

　　　　这个结果对以太假说是致命的打击。然而，当时仍有许多人坚信以太的存在，迈克尔孙本人因未找到以太而深感遗憾。以至

50年来一直有人重复之，但结果都一样。

　　　　经典理论终于陷入了深刻的危机之中