1.了解相對(duì)性原理和光速不變?cè)怼?.初步了解相對(duì)論時(shí)空觀的內(nèi)涵。3.能運(yùn)用與相對(duì)論相關(guān)的初步知識(shí)解釋高速世界的一些特點(diǎn)。4.了解宇宙的起源與演化。
什么是時(shí)間？什么是空間？時(shí)間和空間有什么性質(zhì)？經(jīng)典物理學(xué)對(duì)這些問(wèn)題并沒(méi)有正面回答。但是從它對(duì)問(wèn)題的處理上，我們體會(huì)到經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為空間和時(shí)間是脫離物質(zhì)而存在的，是絕對(duì)的，空間與時(shí)間之間也是沒(méi)有聯(lián)系的。那么，相對(duì)論的時(shí)空觀是否也這樣認(rèn)為呢？
19世紀(jì)末物理學(xué)取得了巨大的成就：牛頓力學(xué) 熱力學(xué) 統(tǒng)計(jì)物理學(xué) 電磁場(chǎng)理論形成了完整的物理學(xué)體系，并被贊譽(yù)為：“一座莊嚴(yán)雄偉的建筑體系和動(dòng)人心弦的美麗廟堂”
在1900年英國(guó)皇家學(xué)會(huì)的新年慶祝會(huì)上，著名的物理學(xué)家，威廉·湯姆孫，回顧了物理學(xué)在過(guò)去幾百年中的發(fā)展，充滿自信地宣稱：科學(xué)的大廈已經(jīng)基本完成，未來(lái)的物理學(xué)家只要做一些修修補(bǔ)補(bǔ)的工作就可以了。但同時(shí)他也承認(rèn)“明朗的天空中還有兩朵小小的、令人不安的烏云”。
正是這兩朵小小的烏云，沖破了經(jīng)典物理學(xué)的束縛，打消了當(dāng)時(shí)絕大多數(shù)物理學(xué)家的盲目樂(lè)觀情緒，為后來(lái)建立近代物理學(xué)的理論基礎(chǔ)作出了貢獻(xiàn)。
描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)必須選擇一個(gè)參考系，然后研究這一物體相對(duì)于參考系是如何運(yùn)動(dòng)的。
1.所有相對(duì)于慣性系做勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系。 ——牛頓運(yùn)動(dòng)定律成立的參考系
2.對(duì)于所有的慣性系，力學(xué)規(guī)律都是相同的，或者說(shuō)，一切慣性系都是等效的，這一結(jié)論稱為伽利略相對(duì)性原理。
3.經(jīng)典時(shí)空觀（絕對(duì)時(shí)空觀） 時(shí)間和空間彼此獨(dú)立、互不關(guān)聯(lián)，且不受物質(zhì)或運(yùn)動(dòng)的影響。
4.經(jīng)典力學(xué)的幾個(gè)基本結(jié)論 ①同時(shí)的絕對(duì)性 ②時(shí)間間隔的絕對(duì)性 ③空間距離的絕對(duì)性
光速恒定的特性，同運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理之間似乎產(chǎn)生了矛盾？
但是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光速都是恒定的．
為此很多物理學(xué)家設(shè)計(jì)了一系列實(shí)驗(yàn)，想要測(cè)出地球在“以太”中運(yùn)動(dòng)的速度。1887年的邁克耳孫—莫雷實(shí)驗(yàn)是最著名的一個(gè)：它們將一束光分成互相垂直的兩束，一束的傳播方向和地球運(yùn)動(dòng)方向一致，另一束和地球運(yùn)動(dòng)方向垂直，然后使它們發(fā)生干涉。如果不同方向上的光速有微小的差別，當(dāng)兩束光互相置換（旋轉(zhuǎn)干涉儀）時(shí)干涉條紋就會(huì)發(fā)生變化。由于地球在宇宙中運(yùn)動(dòng)的速度很大，希望它對(duì)光速能有較大的影響。 他們期待發(fā)現(xiàn)，這兩束光的傳播速度會(huì)有所不同，然而不管他們?nèi)绾闻?，精密的?shí)驗(yàn)得到的結(jié)果卻是兩束光的速度沒(méi)有預(yù)計(jì)的差別。
由于受牛頓絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的觀念長(zhǎng)期支配的影響，物理學(xué)界中多數(shù)人認(rèn)為，光波的傳播介質(zhì)是“以太”，這種介質(zhì)密度極小、絕對(duì)靜止，充滿宇宙空間。 “以太”真的存在么？
實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象表明，不論光源和觀察者做怎樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光速都是恒定的。
不存在特殊的慣性參考系。無(wú)論是力學(xué)規(guī)律還是電磁規(guī)律，它們對(duì)任何慣性參考系都是一樣的。
相對(duì)性原理對(duì)一切自然規(guī)律 都適用。
愛(ài)因斯坦“否認(rèn)以太的存在”
在不同的慣性參考系中，一切物理規(guī)律都是相同的。
真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的 (與光源觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)沒(méi)關(guān)系) 。
二、狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)
對(duì)兩個(gè)基本原理的正確理解
①自然規(guī)律不僅包括力學(xué)規(guī)律，還包括電磁學(xué)規(guī)律等其他所有的物理學(xué)規(guī)律；②強(qiáng)調(diào)真空中的光速不變指大小既不依賴于光源或觀察者的運(yùn)動(dòng)，也不依賴于光的傳播方向 ③幾十年來(lái)科學(xué)家采用各種先進(jìn)的物理技術(shù)測(cè)量光速，結(jié)果都不違背光速不變?cè)怼?br/> 在日常生活和生產(chǎn)中，為了研究物體的運(yùn)動(dòng)，必須選定適當(dāng)?shù)膮⒖枷?，?duì)于不同的參考系，長(zhǎng)度和時(shí)間的測(cè)量結(jié)果是否是一樣的？對(duì)上述問(wèn)題的討論，物理學(xué)家進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索。于是，物理學(xué)經(jīng)歷了一場(chǎng)關(guān)于時(shí)空觀的根本性變革，從牛頓時(shí)代的經(jīng)典力學(xué)跨越到愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論告訴我們：運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢、運(yùn)動(dòng)的尺子在運(yùn)動(dòng)的方向上縮短。這到底是為什么？這些結(jié)論是如何從狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)得出的呢？
三、“同時(shí)”的相對(duì)性
車廂上的人和地面上的人看到車廂中間燈光到達(dá)前后車廂的先后是不一樣的。 車上的觀察者認(rèn)為光同時(shí)到達(dá)車廂的前后兩壁 站臺(tái)上的觀察者認(rèn)為光先到車廂后壁后到前壁
結(jié)論： 1、對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于地面就不是同時(shí)的 關(guān)鍵：在各個(gè)參考系中光速都為c 2、地面上同時(shí)發(fā)生的兩個(gè)事件，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的火車也不是同時(shí)的 關(guān)鍵：相對(duì)運(yùn)動(dòng)
在運(yùn)動(dòng)的火車上的鐘表顯示，做一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)需要15分鐘記為 ；地面上觀察者手里所拿的鐘表顯示時(shí)間要大于15分鐘，記為 。
思考：（1）為什么會(huì)“運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘”變慢了？一個(gè)物理過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間，在不同的參考系中，測(cè)量不一定相同。與之相靜止的參考系測(cè)得的時(shí)間最短，稱為固有時(shí)；與之有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的參考系測(cè)得的時(shí)間變長(zhǎng)，相對(duì)速度越大，時(shí)間延緩效應(yīng)越明顯。（2）這種現(xiàn)象說(shuō)明了什么？ 不能脫離物體的運(yùn)動(dòng)來(lái)理解時(shí)間。（3）這兩個(gè)時(shí)間有什么關(guān)系？（4）經(jīng)典物理學(xué)的結(jié)論還準(zhǔn)確么？在宏觀低速問(wèn)題中，這種時(shí)間延緩效應(yīng)完全可以忽略，對(duì)經(jīng)典物理學(xué)的研究不造成影響。
思考：為什么我們平時(shí)觀察不到這種長(zhǎng)度收縮效應(yīng)？
因?yàn)槲覀兩钤诒裙馑俚秃芏嗟牡退偈澜缋?，長(zhǎng)度收縮效應(yīng)可忽略不計(jì)。
物體的能量和質(zhì)量之間存在密切的聯(lián)系，他們的關(guān)系是：
隨著物體質(zhì)量的減少，它會(huì)釋放出一定的能量。
在非慣性參考系中看到的光線是彎曲的！
勻加速參考系等效于均勻引力場(chǎng)
在慣性參考系中，光沿直線傳播。
愛(ài)因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為，由于物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲。天地之間的引力作用是時(shí)空彎曲的結(jié)果。
巨大質(zhì)量的物體使時(shí)空彎曲
通常物體的引力場(chǎng)都太弱，20世紀(jì)只能觀測(cè)到太陽(yáng)引力場(chǎng)引起的光線彎曲。
由于太陽(yáng)引力場(chǎng)的作用，我們有可能觀測(cè)到太陽(yáng)后面的恒星，最好的觀測(cè)時(shí)間是發(fā)生日全食的時(shí)候．
1.宇宙的起源大爆炸宇宙模型認(rèn)為:宇宙從一個(gè)溫度無(wú)限高,物質(zhì)密度無(wú)限大的“奇點(diǎn)”爆炸而成。大爆炸宇宙模型不僅能解釋宇宙光譜的紅移現(xiàn)象,而且預(yù)言在大爆炸的背景下產(chǎn)生的微波輻射至今存在于宇宙空間中。
或者會(huì)塌縮而在大擠壓處終結(jié)
永遠(yuǎn)膨脹下去，不斷地?cái)U(kuò)大，我們將看到所有星系的星球老化、死亡，剩下我們孤零零的，在一片黑暗當(dāng)中。
大約150億年前，我們所處的宇宙全部以粒子的形式、極高的溫度、極大的密度，被擠壓在一個(gè)“原始火球” 中。
大爆炸使物質(zhì)四散出擊，宇宙空間不斷膨脹，溫度也相應(yīng)下降，后來(lái)相繼出現(xiàn)在宇宙中的所有星系、恒星、行星乃至生命。
根據(jù)愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言，宇宙的未來(lái)在很大程度上依賴于宇宙中的物質(zhì)分布（宇宙物質(zhì)的平均密度）。如果宇宙物質(zhì)的平均密度大于某個(gè)臨界值，星系間的引力將最終使膨脹停止并使宇宙開(kāi)始重新收縮，最終坍縮；如果宇宙物質(zhì)的平均密度小于該臨界值，宇宙將會(huì)繼續(xù)膨脹。但對(duì)宇宙物質(zhì)平均密度的觀測(cè)非常困難，因?yàn)橛钪嬷谐丝梢?jiàn)的發(fā)光天體之外，還有大量的暗物質(zhì)和暗能量。
暗物質(zhì)是一種不能釋放任何電磁輻射的物質(zhì).
3.永不停息的探索宇宙茫茫無(wú)際,人類的探索也不會(huì)停止,為了擺脫大氣層的影響,人們先后發(fā)射了許多人造衛(wèi)星及宇宙飛行器,用于天文觀測(cè)。2016年,我國(guó)落成啟用的世界上最大單口徑、最靈敏、具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的射電望遠(yuǎn)鏡,是人類探索宇宙深處奧秘的神奇“眼睛”——“中國(guó)天眼”。
“中國(guó)天眼”的首席科學(xué)家兼總工程師南仁東（1945-2017），為選擇最佳臺(tái)址，帶著300多幅衛(wèi)星遙感圖，跋涉在中國(guó)西南的大山里，先后對(duì)比了1000多個(gè)洼地。工程建設(shè)中，他克服了技術(shù)、資金等重重困難，為工程的順利完成作出了卓越的貢獻(xiàn)。他用人生最后的22年，精益求精、堅(jiān)毅執(zhí)著地實(shí)現(xiàn)了一個(gè)夢(mèng)想，用生命鑄就了世人矚目的“中國(guó)天眼”。
引力波開(kāi)啟了探索宇宙的新窗口，它可讓我們傾聽(tīng)宇宙，了解宇宙。 1916 年，愛(ài)因斯坦依據(jù)廣義相對(duì)論預(yù)言，大質(zhì)量天體發(fā)生碰撞、恒星爆炸、中子星合并、黑洞合并等極端天文事件發(fā)生時(shí)，時(shí)空會(huì)產(chǎn)生漣漪并產(chǎn)生“ 引力波 ”，以光速向外擴(kuò)張。由于產(chǎn)生引力波的天體離我們過(guò)于遙遠(yuǎn)，引力波到達(dá)地球時(shí)就變得極其微弱。
2015 年，人類首次直接探測(cè)到引力波的存在。這是由兩個(gè)黑洞合并為一個(gè)更大黑洞時(shí)產(chǎn) 生的 持 續(xù) 不 到 1 s 的 引 力 波 信 號(hào)，被 激光干涉引力波天文臺(tái)的兩個(gè)探測(cè)器以7ms的時(shí)間差先后捕捉到。之后，人類多次探測(cè)到引力波，但信號(hào)皆產(chǎn)生于雙黑洞合并。
雷納·韋斯（R. Weiss）、巴里·巴里什（B. Barish）和基普·索恩（K. Thrne）這三位科學(xué)家因?qū)?LIGO 探測(cè)器和引力波探測(cè)的重大貢獻(xiàn)而獲得 2017 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
宇宙茫茫無(wú)際，人類的探索將永不停歇。人類這一大自然的精靈，定會(huì)把視野擴(kuò)至宇宙的更深處。

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第2節(jié) 相對(duì)論中的神奇時(shí)空

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