灵鹊做题网相对论产生的背景和意义是什么?
来源：学生作业帮 编辑：灵鹊做题网作业帮 分类：物理作业 时间：2024/04/28 18:01:35
相对论产生的背景和意义是什么?
背景：
19世纪后期,随着电磁学的发展,电、磁技术得到了越来越广泛的应用,同时对电磁规律的更加深入的探索成了物理学的研究中心,终于导致了麦克斯韦电磁理论的建立.麦克斯韦方程组(见§11-9)不仅完整地反映了电磁运动的普遍规律,而且还预言了电磁波的存在,揭示了光的电磁本质.这是继牛顿之后经典物理学的又一伟大成就.
但是长期以来,物理学界机械论盛行,认为物理学可以用单一的经典力学图像加以描述,其突出表现就是“以太假说”.这个假说认为,以太是传递包括光波在内的所有电磁波的弹性介质,它充满整个宇宙.电磁波是以太介质的机械运动状态,带电粒子的振动会引起以太的形变,而这种形变以弹性波形式的传播就是电磁波.如果波速如此之大且为横波的电磁波真是通过以太传播的话,那么以太必须具有极高的剪切模量, 同时宇宙中大大小小的天体在以太中穿行,又不会受到它的任何拖曳力, 这样的介质真是不可思议.
从麦克斯韦方程组出发,可以立即得到在自由空间传播的电磁波的波动方程(见§11-11),而且在波动方程中真空光速c是以普适常量的形式出现的.但是从伽利略变换的角度看,速度总是相对于具体的参考系而言的,所以在经典力学的基本方程式中速度是不允许作为普适常量出现的.当时人们普遍认为,既然在电磁波的波动方程中出现了光速c,这说明麦克斯韦方程组只在相对于以太静止的参考系中成立,在这个参考系中电磁波在真空中沿各个方向的传播速度都等于恒量c,而在相对于以太运动的惯性系中则一般不等于恒量c.
于是这样的情况出现了：经典物理学中的经典力学和经典电磁学具有很不相同的性质,前者满足伽利略相对性原理,所有惯性系都是等价的；而后者不满足伽利略相对性原理,并存在一个相对于以太静止的最优参考系.人们把这个最优参考系称为绝对参考系,而把相对于绝对参考系的运动称为绝对运动.地球在以太中穿行,测量地球相对于以太的绝对运动,自然就成了当时人们首先关心的问题.最早进行这种测量的就是著名的迈克耳孙-莫雷实验.
图 7-1
迈克耳孙-莫雷实验的装置是设计精巧的迈克耳孙干涉仪(详见§13-3),图7-1是这种仪器的示意图.从光源S射出的一束单色光,经半透明膜G的透射和反射分解为互相垂直的两束光,这两束光各自经历一定长度(l1和l2)的路径后分别被平面反射镜M1和M2反射回半透明膜G,再次经反射和透射合成为一束光并到达望远镜O, 在望远镜O中可以观察到两束光的干涉条纹.如果两束光的相位差发生变化,望远镜中会观察到干涉条纹的移动.实验时先让一条光路沿地球运动的方向,同时观察干涉条纹,然后缓慢将干涉仪旋转90°,使另一条光路沿着地球运动的方向,这时应该观察到干涉条纹的移动,根据“以太假说”计算干涉条纹移动的数目为……
式中l是光的波长,v是地球相对于以太的运动速度.
1881年迈克耳孙首先完成了这一实验,没有观察到预期的条纹移动.1887年迈克耳孙和莫雷改进了实验装置,将两条光路的长度延长到11 m,预期的条纹移动数目为0.4,是最小可观测量的40倍,但仍未观察到条纹的移动.迈克耳孙-莫雷实验的否定结果似乎在告诉笃信以太的人们,地球相对于以太的运动并不存在,作为绝对参考系的以太并不存在.
（图见：
http://www.nuist.edu.cn/courses/wlx/chpt07/section01/topic02/kcnr.htm）
爱因斯坦认为,应该与机械论彻底决裂,应该完全抛弃以太假说,电磁场是独立的实体,是物质存在的一种基本形态.电磁现象与力学现象一样,不应该存在某个特殊的最优参考系.相对性原理应该具有普遍意义,不仅经典力学规律,而且经典电磁学规律和其他物理学规律,在所有惯性系中都应该保持不变的数学形式.这样一来,就必须寻找或建立各惯性系之间的新的变换关系,以代替伽利略变换.
意义：
狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理.
相对论对于现代物理学的发展和现代人类思相的发展都有巨大的影响.
相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系.狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律.广义 相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似.这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排.相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系.
狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式.这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性.因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论.质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据.
广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体.到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究.
一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物学家中,爱因斯坦将位于最前列.他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”,“按照我的看法,他也许比牛顿更伟大,因为他对于科学的贡献,更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中.”
19世纪后期,随着电磁学的发展,电、磁技术得到了越来越广泛的应用,同时对电磁规律的更加深入的探索成了物理学的研究中心,终于导致了麦克斯韦电磁理论的建立.麦克斯韦方程组(见§11-9)不仅完整地反映了电磁运动的普遍规律,而且还预言了电磁波的存在,揭示了光的电磁本质.这是继牛顿之后经典物理学的又一伟大成就.
但是长期以来,物理学界机械论盛行,认为物理学可以用单一的经典力学图像加以描述,其突出表现就是“以太假说”.这个假说认为,以太是传递包括光波在内的所有电磁波的弹性介质,它充满整个宇宙.电磁波是以太介质的机械运动状态,带电粒子的振动会引起以太的形变,而这种形变以弹性波形式的传播就是电磁波.如果波速如此之大且为横波的电磁波真是通过以太传播的话,那么以太必须具有极高的剪切模量, 同时宇宙中大大小小的天体在以太中穿行,又不会受到它的任何拖曳力, 这样的介质真是不可思议.
从麦克斯韦方程组出发,可以立即得到在自由空间传播的电磁波的波动方程(见§11-11),而且在波动方程中真空光速c是以普适常量的形式出现的.但是从伽利略变换的角度看,速度总是相对于具体的参考系而言的,所以在经典力学的基本方程式中速度是不允许作为普适常量出现的.当时人们普遍认为,既然在电磁波的波动方程中出现了光速c,这说明麦克斯韦方程组只在相对于以太静止的参考系中成立,在这个参考系中电磁波在真空中沿各个方向的传播速度都等于恒量c,而在相对于以太运动的惯性系中则一般不等于恒量c.
于是这样的情况出现了：经典物理学中的经典力学和经典电磁学具有很不相同的性质,前者满足伽利略相对性原理,所有惯性系都是等价的；而后者不满足伽利略相对性原理,并存在一个相对于以太静止的最优参考系.人们把这个最优参考系称为绝对参考系,而把相对于绝对参考系的运动称为绝对运动.地球在以太中穿行,测量地球相对于以太的绝对运动,自然就成了当时人们首先关心的问题.最早进行这种测量的就是著名的迈克耳孙-莫雷实验.
图 7-1
迈克耳孙-莫雷实验的装置是设计精巧的迈克耳孙干涉仪(详见§13-3),图7-1是这种仪器的示意图.从光源S射出的一束单色光,经半透明膜G的透射和反射分解为互相垂直的两束光,这两束光各自经历一定长度(l1和l2)的路径后分别被平面反射镜M1和M2反射回半透明膜G,再次经反射和透射合成为一束光并到达望远镜O, 在望远镜O中可以观察到两束光的干涉条纹.如果两束光的相位差发生变化,望远镜中会观察到干涉条纹的移动.实验时先让一条光路沿地球运动的方向,同时观察干涉条纹,然后缓慢将干涉仪旋转90°,使另一条光路沿着地球运动的方向,这时应该观察到干涉条纹的移动,根据“以太假说”计算干涉条纹移动的数目为……
式中l是光的波长,v是地球相对于以太的运动速度.
1881年迈克耳孙首先完成了这一实验,没有观察到预期的条纹移动.1887年迈克耳孙和莫雷改进了实验装置,将两条光路的长度延长到11 m,预期的条纹移动数目为0.4,是最小可观测量的40倍,但仍未观察到条纹的移动.迈克耳孙-莫雷实验的否定结果似乎在告诉笃信以太的人们,地球相对于以太的运动并不存在,作为绝对参考系的以太并不存在.
（图见：
http://www.nuist.edu.cn/courses/wlx/chpt07/section01/topic02/kcnr.htm）
爱因斯坦认为,应该与机械论彻底决裂,应该完全抛弃以太假说,电磁场是独立的实体,是物质存在的一种基本形态.电磁现象与力学现象一样,不应该存在某个特殊的最优参考系.相对性原理应该具有普遍意义,不仅经典力学规律,而且经典电磁学规律和其他物理学规律,在所有惯性系中都应该保持不变的数学形式.这样一来,就必须寻找或建立各惯性系之间的新的变换关系,以代替伽利略变换.
意义：
狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理.
相对论对于现代物理学的发展和现代人类思相的发展都有巨大的影响.
相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系.狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律.广义 相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似.这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排.相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系.
狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式.这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性.因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论.质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据.
广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体.到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究.
一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦：“在我们这一时代的物学家中,爱因斯坦将位于最前列.他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”,“按照我的看法,他也许比牛顿更伟大,因为他对于科学的贡献,更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中.”