狭义相对论的建立及其意义

3、狭义相对论内容简介
    狭义相对论的含意——以Einstein的两条基本假设为基础的物理学，或者说狭义相对论就是以Lorentz变换不变性为基础的物理学；而牛顿力学是以Galileo变换不变性为基础的理论体系。
狭义相对论的任务——考查全部现有的物理定律，借助Lorentz变换来检验它们是否服从相对性原理。
狭义相对论的理论框架概括为 —— 两条基本原理、一个变换、三个运动学效应、三个动力学基本关系式。
    （1）两条基本原理：
    1)狭义相对论的相对性原理
    内容表述：* 一切惯性系中，物理学规律具有相同的表示形式；
    *  所有惯性系都是等价的；
    * 物理学定律与惯性系的选取无关。
    2）光速不变原理
    内容： 所有惯性系中，光在真空中沿各方向传播的速度都相同， 均为C ，与光源选取（即与光源是否运动）无关。
    这两条假设是狭义相对论的基础。光速不变原理实际上是狭义相对论的基本实验规律；相对性原理则
    是处理各种问题的基本出发点，是建立动力学方程的基础。
    （2）一个变换 —— Lorentz变换：
    Lorentz变换是在 满足两条基本假设的条件下，两个惯性系之间时空坐标的变换关系。因此，这种变换是两条基本假设的直接结果；另外，从速度变换公式可以看出，一切物体的运动速度都不能超过光在真空中的传播速度C，也就是说，光在真空中的传播速度为物体运动的极限速度。
    （3）三个运动学效应：
    从Lorentz变换出发，可以导出许多与牛顿时空观不同的结果，具有代表性的体现在下面的三个方面：
    1）同时的相对性
    有两个坐标系 —— S系和S’系。在S系中，在两个不同地点A 、B同时发生两个事件，比如同时燃两支蜡烛；而在S’系中的观察者，看到的这两个事件却不是同时发生的，即
              S系中：tA ＝ tB ；  S’系中：t’A ≠ t’B .
    表明同时是相对的，与坐标系的选取有关。
    2）时间的相对性 —— 运动时钟变慢（时间延缓效应）
    一个事件所经历时间的量度与惯性系的选取有关。相对于参照系静止的观察者，测量的时间间隔Δt小于相对于参照系运动的观察者测量的结果Δt’，
    即                    Δt ， > Δt.
表示运动物体上发生的自然过程比静止物体上同样的过程延缓了，或者说时间拖长了，也就是相对于观察者运动的时钟变慢了，反映出时间的相对性。这一现象在研究粒子的寿命时，可以得到直接的证实。
    3）长度的相对性 —— 运动的尺子缩短（收缩效应）
    一把尺子的长度是通过测量它的两个端点的坐标来确定的；同一把尺子的长度，在不同的惯性系中，测量的结果可以不相同，反映出长度的相对性。相对于尺子静止的观察者，测量的结果ΔL要大于相对于尺子运动的观察者测量的结果ΔL’。  即
                        ΔL > ΔL’.
    例如，一个正方体沿X轴方向运动时，变成了一个长方体；一个球体变成了一个椭球。
    所有这些运动学效应，纯属于一种相对论效应；这种效应是时空的基本属性引起的，与钟和尺子的具体结构无关，这不同于牛顿力学的时空观。按照伽利略变换，时空的度量是绝对的，不会因惯性系的选择而改变。
    另外，这种相对论效应是互逆的。因此，在讨论问题时，应明确相对于哪个参照系而言。
    有关运动学效应，在我们日常生活中是很难理解的。因为我们平时接触的都是远远小于光速的运动，根本无法观察到相对论中所描述的长度收缩、时钟变慢等现象。但是，如果接近光速的运动能够变成现实的话，一个以这样速度运动的人，对于另一个静止的观察者来看，这个人就可能变成一条线了。还可能会出现这样的情景：一个人坐上光子火箭，以接近光速的速度去做星际航行。一年后他回来了，发现儿子已经是白发苍苍的老人了；而自己还是那么年轻。中国古代传说中的“天上方一日，人间已一年” ，便可用相对论得到解释。
    （4）三个动力学关系式：
    从上面的讨论中，我们知道长度和时间的度量与惯性系的选取有关。这样，就使得经典力学中的一些绝对量变成了相对量；那么，另一些物理量，诸如质量、能量、动量……又如何呢？下面来讨论这方面有关的问题。
     1）质量 — 速度关系
                         m ＝ mo /  
    在相对论力学中，质量m不再是一个不变量，而是速度的函数。当
    v ＝ 0.1 c 时，质量增加0.5％ ；
    v = 0.866 c时，m（运动质量） = 2mo（静止质量） ；
    v = 0.98 c时， m = 5mo ；
    v → c 时，m → ∞ 。
    这一现象人们在研究电子运动时被发现了。早在1897年，法国科学家Kaufman曾用不同速度的电子，观察其在磁场作用下的偏转情况，来测定电子的质量。实验结果发现，电子质量随电子速度的不同表现出一定的差异。
    当物体运动的速度 v 《 c时，m ≈ mo 。如火箭的速度v = 11.2km / s 时，m = 1.000 000 0009mo ，质量变化非常小，不易观测到。
由于物体的质量不可能为负值，因此，光速即为极限速度。1966年，美国斯坦福电子直线加速器，全长3000m ，加速电势差达7 Mv / m ，将电子的运动速度加速到0.999 999 999 7c ，只能接近光速，而永远达不到光速。
    质速关系式进一步揭示了物质与运动之间的不可分割性。
    2）质量 — 能量关系
                     E = m c²
    质量和能量是物质的两种不同属性，它们之间有着内在的联系，质能关系式将它们有机地统一起来了。
    质能关系式只是一种当量关系。不能理解为能量与质量之间可以相互转化，更不能说能量就是质量。
    质能关系式表示有质量就有能量，而能量对应着物体的一种运动状态，从而表明物质与运动是不可分的，自然界不存在不运动的物质。
    3）能量 — 动量关系
                     E² ＝ p²c² + m_o²c⁴
    从这个关系式可以看出有负能量状态的存在，从而为反粒子的提出提供了依据。1930年，Di rac预言了电子的反粒子 —— 正电子的存在；到了1932年，美国物理学家Anderson在云室中果然发现了正电子。