5.1 狹義相對論

　　5.2.1 波粒二象性

　　5.2.2 氫光譜

　　5.2.3 不確定關(guān)系

　　請看P466頁測不準(zhǔn)關(guān)系式

　　首先我們介紹狹義相對論，提起物理學(xué)，很多人就會(huì)想起狹義相對論，狹義相對論講什么大家并不清楚，只知道它是一個(gè)很著名的物理學(xué)理論，而且普遍認(rèn)為它非常抽象，難以理解希望，你不會(huì)因此而有負(fù)擔(dān)吧，其實(shí)這個(gè)理論很簡單，也很有趣，聽我慢慢給你介紹。

　　先舉一個(gè)例子，很簡單，你和你的朋友分別騎一輛自行車以速度 相對于地面前行。如果以地球?yàn)閰⒄瘴铮愕倪\(yùn)動(dòng)速度，你在動(dòng)，但是如果以你朋友為參考標(biāo)準(zhǔn)，你就感覺你是靜止的，這是相對速度的概念，在第一章力學(xué)篇我們介紹過，我們把這個(gè)例子中所涉及的相對的概念推廣開來。上面例子中，我們研究的是單個(gè)物體之間的相對運(yùn)動(dòng)，假如說研究多個(gè)物體時(shí)，共用一個(gè)參照標(biāo)準(zhǔn)，比如說在研究地面上物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，若地球自轉(zhuǎn)的影響可以忽略的話，所有物體的研究都以地球?yàn)闃?biāo)準(zhǔn)，地球這時(shí)候就是一個(gè)很好的參考系了，這就是參照系的概念，好了，知道參照系的概念，現(xiàn)在想象說空間有兩個(gè)球體，一個(gè)球體是地球，另外一個(gè)球相對于地球運(yùn)動(dòng)，那么我們就會(huì)想到這樣一個(gè)問題，假設(shè)一個(gè)物體在地球上t時(shí)刻點(diǎn)開始以速度運(yùn)行了S米，或者說我們前面所學(xué)習(xí)的定律，熱學(xué)定律，力學(xué)定律，電學(xué)定律等典型的比如F=ma的形式，解決上述問題的理論就是狹義相對論，首先我們看傳統(tǒng)的觀點(diǎn)如何解釋上述問題？

　　傳統(tǒng)的觀點(diǎn)認(rèn)為運(yùn)動(dòng)、時(shí)間和空間分離的，也就是說運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)間、速度和空間的改變沒關(guān)系。假設(shè)一個(gè)物體以速度v在地球上運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)球體相對于地球靜止的，那么從另一球體看物體時(shí)，物體的速度仍然v，如果另一球相對于地球以 運(yùn)動(dòng)時(shí)，那么從另一球體看物體物體的速度就是相對速度 .

　　這種觀點(diǎn)為傳統(tǒng)的時(shí)空觀，遵循經(jīng)典理論的伽俐略變換。

　　兩坐標(biāo)系 和 ，各對應(yīng)軸相互平行， 相對 以一定速度v沿x軸方向運(yùn)動(dòng)，假設(shè) ，在兩坐標(biāo)系的初始時(shí)間相同，坐標(biāo)系 和 重合，經(jīng)過t 時(shí)間后，p點(diǎn)在兩坐標(biāo)系間的時(shí)空變換關(guān)系是

　　上述傳統(tǒng)的經(jīng)典理論在遇到電磁波時(shí)發(fā)生了危機(jī)，因?yàn)殡姶挪▊鞑ニ俣雀哌_(dá) ，經(jīng)典的時(shí)空觀在研究電磁學(xué)定律時(shí)無法得到滿足，在這種情況下，愛因斯坦在分析了伽俐略變換和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的矛盾后提出了狹義相對論的兩條基本原理：

　　（1）每個(gè)物理定律在一切慣性參照系中具有完全相同的形式——光學(xué)相對性原理

　　比如牛頓力學(xué)定律在不同坐標(biāo)系中保持力和加速度的關(guān)系，但是表現(xiàn)形式不同，因?yàn)橘|(zhì)量隨參照系的相對速度的不同發(fā)生改變，這在后面的學(xué)習(xí)中還會(huì)強(qiáng)調(diào)。

　　（2）所測得的真空中光速在任一慣性系中，是完全相同的的物理量——光速不變原理。

　　按照狹義相對論，伽俐略公式被修正為洛侖茲變換，設(shè)以（x、y、z、t）表示在t時(shí)刻在t系中（x、y、z）地點(diǎn)發(fā)生的一個(gè)事件，而同事件在 系中是在 時(shí)刻出現(xiàn)在 地點(diǎn)，則表示同一事件的時(shí)，時(shí)空坐標(biāo)（x、y、z、t）和 之間關(guān)系

　　說明：時(shí)間和空間不是彼此獨(dú)立的，相對論的時(shí)空是相互聯(lián)系的，和運(yùn)動(dòng)速度不可分的

　　只有當(dāng)v&lt；&lt；c時(shí)上式才變成伽俐略分式，也就是說當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度&lt；&lt；c時(shí)，伽俐略變換才是正確的。

　　利用洛侖茲變換，我們就可以研究在一個(gè)參考系中發(fā)生事件的時(shí)間、長度、時(shí)間間隔，以及速度在另一參考系中觀察如何變化。

　　假設(shè) 系和 系， 系以v 相對于 系運(yùn)動(dòng)，那么

　　①在t時(shí)刻點(diǎn)發(fā)生的事件，在 系中觀察將在 時(shí)刻發(fā)生

　　②一個(gè)長度為l的物體，在k系中以v速運(yùn)動(dòng)，而相對于 靜止的話，這個(gè)物體在k系中長度比在 系中要短一些。即相對物體運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中所測物體的長度變短。

　　③ 中發(fā)生事件從開始到結(jié)束時(shí)間間隔 ，從k系中觀察該時(shí)間間隔為

　　④ 中一質(zhì)點(diǎn)沿 軸正向以速度 勻速運(yùn)動(dòng)，那么在k系中觀察速度為

　　愛因斯坦還認(rèn)為物體的質(zhì)量也因?yàn)槲矬w的速度而改變

　　其是 是在物體相對靜止的慣性系中測得的質(zhì)量，稱之為靜止質(zhì)量