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狭义相对论 - 维基百科,自由的百科全书

せま义相对论

物理ぶつり

せま义相对论英語えいごSpecial relativityゆかりおもね尔伯とく·爱因斯坦とおるとくさとかつ·らく仑兹とおる·庞加莱ひとし物理ぶつりがく创立てきいち應用おうようざい惯性参考さんこうけいしたてき时空论,うし顿时そらまとつぶせてん修正しゅうせい。爱因斯坦ざい其於1905ねん完成かんせいてき論文ろんぶんろん動體どうたいてき電動でんどう力學りきがくちゅう提出ていしゅつりょうせま义相对论[1]

ひかりこれ闵可おっと斯基时空しものう够与一个单一事件通过光速こうそく存在そんざい因果いんが联系てき所有しょゆうてんてき集合しゅうごう

うし顿力がくせま义相对论ざい低速ていそくじょう况下てき近似きんじ

背景はいけい

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とぎりゃく变换与电磁学理がくり论的ひろし

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ざい19せい纪末,以むぎかつ斯韦かたほど为核しんてき经典电磁论的せい确性やめけい大量たいりょう实验しょ证实,ただしむぎかつ斯韦かたほど组在经典力学りきがくなかてきとぎりゃく变换しもなみ具有ぐゆう协变せい,而经てん力学りきがくちゅうてきあい对性原理げんり要求ようきゅう一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。

以太かり

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了解りょうかい决这いち矛盾むじゅん物理ぶつりがく提出ていしゅつりょう以太かり”,そくあい对性原理げんり,认为むぎかつ斯韦かたほど组只对一个绝对参考系(以太成立せいりつすえ这個かり说,ゆかりむぎかつ斯韦かたほど组计さんいたてき真空しんくう光速こうそくしょう对于绝对参考さんこうけい(以太)てき速度そくどざいしょう对于“以太”运动てき参考さんこうけいちゅう光速こうそく具有ぐゆう不同ふどうてきすう[2]

实验てき结果——れい结果

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菲索实验てき設置せっち
 
迈克みみ孙與莫雷てき干涉かんしょう設置せっち,其安そうざい一塊漂浮在圓形水銀槽上方。

ただし斐索实验迈克みみ孙-莫雷实验表明ひょうめいりょう光速こうそく参考さんこうけいてき运动无关。该实验结はて否定ひていりょう以太かり说,なみ表明ひょうめいしょう对性原理げんりてきせい确性。とおるとくさとかつ·らく伦兹とぎりゃく变换おさむあらためらく伦兹变换ざいらく伦兹变换むぎかつ斯韦かたほど具有ぐゆうしょう对性原理げんりしょ要求ようきゅうてき协变せいらく伦兹てきかり说解决了上述じょうじゅつてき矛盾むじゅんただし不能ふのう对洛伦兹变换てき物理ぶつりほん质做合理ごうりてきかい释。ずいきさき数学すうがくとおる·庞加莱猜测らく伦兹变换其實时空せい质有关。

爱因斯坦てきせま义相对论

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としけいてきあいいん斯坦ざい1905ねんあいいん斯坦奇蹟きせきねん發表はっぴょうりょうろくへん時代じだいてき論文ろんぶん

おもね尔伯とく·爱因斯坦识到とぎりゃく变换实际じょううし顿经てん时空观的たい现,如果うけたまわ认“空中くうちゅうてき光速こうそく独立どくりつ参考さんこうけい”这一实验事实为基本原理,建立こんりゅうおこり一种新的时空观(あい对论时空观)。ざい这一时空观下,ゆかりあい对性原理げんりそく导出らく伦兹变换。1905ねん,爱因斯坦发表论文《论动たいてき电动力学りきがく》,建立こんりゅうせま义相对论成功せいこう描述りょうざい亚光そく领域ひろし物体ぶったいてき运动。

せま义相对论てき基本きほん原理げんり

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ざい所有しょゆう惯性けいちゅう真空しんくうなかてき光速こうそくとう 299 792 458 m/s( 真空しんくう磁导りつ 真空しんくうかい电常すう),あずか光源こうげん运动无关。

ざい所有しょゆう惯性けいちゅう物理ぶつり定律ていりつようゆうしょうどうまとひょう达形しき,这是力学りきがくあい对性原理げんりてき推广,它适よう于天所有しょゆう物理ぶつり定律ていりつ,其本质是所有しょゆう惯性けいひら权。

せま义相对论仅描じゅつたいらただし线性てき时空ゆびぼつゆう引力いんりょくてきそく闵可おっと斯基时空)てきしょう对论论。うし顿的时空观认为运动空间是たいらただし线性てき时空以用一个三维的速度空间来描述;时间并不独立どくりつ于空间的单独いち维,而是そら间坐标的变量。

せま义相对论どう样认为空间和时间并不相互そうご独立どくりつてき,而它们应该用一个统一的四维时空来描述,并不存在そんざい绝对てきそら时间ざいせま义相对论ちゅうせい时空仍然ひらたちょく线性てき所以ゆえんざい其中就存在そんざい全局ぜんきょく惯性けい”。せま义相对论はた真空しんくうなか光速こうそく常数じょうすうさく基本きほんかり设,结合せま义相对性原理げんり上述じょうじゅつ时空てきせい质可以推らく伦兹变换

せま义相对论描述てき时空てき基本きほん结构。つきかん其中一条原理提到了“ひかり”(电磁てき速度そくどただしせま义相对论与こう并没ゆうにんなん关联。空中くうちゅうてき光速こうそくいち基本きほん常数じょうすうただこう恰好かっこう以这个速度そくど运动而已。そく便びん宇宙うちゅうちゅう所有しょゆう电荷消失しょうしつそくそん在任ざいにんなん电磁现象,せま义相对论依然いぜん成立せいりつ[3]

らく伦兹坐标变换

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せま义相对论ちゅうらく伦兹变换描述时空ちゅう两个惯性参考さんこうけいてき时间、そら间坐标之间的变换关系てき。它最早由さよりらく伦兹从以ふとし说推よう以解决经てん力学りきがくあずか经典电磁がく间的矛盾むじゅんそく迈克みみ孙-莫雷实验てきれい结果)。きさき爱因斯坦よう于狭义相对论。

形式けいしき

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とう两个参考さんこうけい   あずか   ざい时刻  重合じゅうごう,且   あい 速度そくど   沿   轴正方向ほうこう运动时,いち事件じけんざい   けいてきすわ  あずかざい   けいてきすわ  满足以下いか关系:

 
 
 
 

ある使用しようのり阵乘法的ほうてき形式けいしきうつしさく

 

其中

 
 しょうらく伦兹因子いんし

よう张量表示ひょうじ方法ほうほう以简单的表示ひょうじ

 

其中    

推导

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注意ちゅういごと

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  1. らく伦兹变换要求ようきゅう   时,   ,且相对速度そくど仅有   分量ぶんりょう

时间膨胀(爱因斯坦のべ缓)

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とう物體ぶったい運動うんどう,它的一切いっさい物理ぶつり化學かがく變化へんか)从参照さんしょうけいてき角度かくどらい都會とかいへん慢,就是時間じかん膨脹ぼうちょう(簡稱どき)。とうそく運動うんどうてき物體ぶったいたいざい身上しんじょうてきかねようしずかけい觀察かんさつしゃてきかね測量そくりょうろん運動うんどう方向ほうこう測量そくりょう結果けっかどうかねずいちょ運動うんどう速度そくど增加ぞうか而變慢。光速こうそく运动てき物体ぶったい(如光子こうしざい时间轴上てき分量ぶんりょう为零,它的时间静止せいしてき速度そくどてい于光そくてき物体ぶったい,其时间膨胀的程度ていど遵循らく仑兹变换 

どうけいてき時間じかん膨脹ぼうちょうりつ = ろう侖茲因子いんし  ,

爱因斯坦利用りよう畢氏定理ていり(勾股定理ていり)以及假設かせつ光速こうそくたいにんなん相對そうたいとうそく運動うんどうてき觀察かんさつしゃいちよう就推ろん:

どうがね計時けいじ  = せいがね計時けいじ    ろう侖茲因子いんし  

かり如有いち絕對ぜったい靜止せいしけい顯然けんぜんわが們就以測とく各種かくしゅ物體ぶったいてき絕對ぜったい所以ゆえんしょ相對そうたい靜止せいしけいてきわが們,所得しょとく一切いっさいどきこれ觀測かんそく值,みやこただし相對そうたいてき觀測かんそく值。れい如由ろう侖茲變換へんかんてき假說かせつ推論すいろんざいどうけいてき觀察かんさつしゃ測量そくりょうしずかけいてき時間じかん膨脹ぼうちょう:  , 同時どうじ測量そくりょうしずかけいてきちょうちぢみおさむ:  

注意ちゅうい: 這裡假設かせつてき時間じかん膨脹ぼうちょうりつぜっただいんためぼく勒效おうゆずるときしきへんひくてき假設かせつてき時間じかん膨脹ぼうちょうりつただ受測ぶつてき相對そうたい速度そくどゆうせきあずか近接きんせつあるとおはなれてき方向ほうこう無關むせきとおはなれてきぼく勒效おうときしき へん慢的,ただし近接きんせつてきぼく勒效おうときしき へんかいてき。按照 爱因斯坦のべ缓假せつたいせいけい觀察かんさつしゃらいせつろん近接きんせつあるとおはなれどうけい通過つうか一段固定距離的時間都加長了。 也就せつ通過つうかだん固定こてい距離きょりてきどうけい速度そくど せいけい觀察かんさつしゃ計算けいさんなり比較ひかく慢的 ,慢率ろう侖茲因子いんし 所以ゆえんせいけい觀察かんさつしゃしょはかだしてきぼく勒效おう爱因斯坦のべ缓假せつおさむあらためなりため:    

长度おさむ缩(らく伦兹おさむ缩)

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ろう侖茲收縮しゅうしゅく就是ゆび相對そうたい于某物體ぶったい運動うんどうてき觀測かんそくしゃ觀測かんそくざい運動うんどうてきじくむこうてきちょうかい相對そうたい物體ぶったい靜止せいしてき觀測かんそくしゃ觀測かんそくいたてき同一どういつちょうようたん。其收縮しゅうしゅくりつ,就是ろう侖茲因子いんし。其它じくむこうてきちょうなみかいゆう影響えいきょう

邁克せい-莫雷實驗じっけんしゅ實驗じっけん,就是ろう侖茲收縮しゅうしゅくてきさいけい証明しょうめい

當然とうぜんろう侖茲收縮しゅうしゅくてき人事じんじぶつ本身ほんみなみかい察覺いた收縮しゅうしゅくしたがえしずかけいらいどうけいうえてき觀測かんそくしゃ,就像拿著いち收縮しゅうしゅくてきしゃく測量そくりょう收縮しゅうしゅくてき物體ぶったい

ただしよしため絕對ぜったい靜止せいしけい不可ふか所以ゆえんわが們僅のうはかとく相對そうたい短縮たんしゅくよしためわが們不知道ともみち自己じこ設定せっていてき靜止せいし參考さんこうけいしんてきわが們要はかてき運動うんどう物體ぶったいかえよう靜止せいし

かり運動うんどう物體ぶったい上面うわつらゆう觀測かんそくしゃまた設定せっていてき慣性かんせいけいざい靜止せいしてきわが們就變成へんせいてきどうけいりょうとう觀測かんそくわが們時,わが們才收縮しゅうしゅくてき一方いっぽう,而他正常せいじょうてき一方いっぽう

另外,ろう侖茲收縮しゅうしゅくりつしたがえ移動いどう電荷でんか所產しょさんせいてき電場でんじょう推遲てきこうおう,也就以推出來でき

高速こうそく運動うんどう電荷でんかさんせいてき電場でんじょうがたへんとういきおいめんいんため電場でんじょう傳播でんぱ無限むげんかい所以ゆえん必定ひつじょうかいさんせい推遲,所以ゆえん它向四周散發出的電場之等勢面,就不さいせい球面きゅうめん對稱たいしょうりょう

どう时的しょう对性

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よしため絕對ぜったい靜止せいしけい不可ふか所以ゆえんかく慣性かんせいけいてき觀測かんそくしゃたい於兩事件じけん發生はっせい,僅能作出さくしゅついな相對そうたい同時どうじてき判斷はんだん,而沒ゆう辦法作出さくしゅついな絕對ぜったい同時どうじてき判斷はんだんじょりょう事件じけん发生ざい同一どういつ时空てんじょう

とう慣性かんせいけいちゅうてき觀測かんそくしゃざいたい該系ちゅうてきゆう距離きょりりょうかね進行しんこうこうどう訊號げんざいりょうかねてきせい中央ちゅうおうどうみゃくてい球面きゅうめん對稱たいしょう半徑はんけい光速こうそく擴展,とうかねどうなみえんさわ及時,そくかえりれい (あるじゅうおけざいあいどうてき計時けいじはつ值),此時りょうかねてき計時けいじ步調ほちょうそく相對そうたいどう計時けいじゆう也簡しょう相對そうたい同時どうじ

あい对论质量

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m0ゆび静止せいし质量,m为相对论质量。

よし公式こうしき以看

1.たい於一个有質量しつりょうてき物體ぶったい,其速v不可能ふかのうとう於或しゃちょう过光そくいや则分ははしょうかい無意義むいぎある为一个虚すう(註:光子こうしぼつゆう靜止せいし质量,いん此其速度そくど以达到光速こうそくただしざい運動うんどうかいゆうどうりょうあるものせつのうりょうぞく於質りょう範疇はんちゅう)。

2.とうぼうゆう質量しつりょう物體ぶったい移動いどうそくりつえつ接近せっきん光速こうそく相對そうたいろん質量しつりょうかいへんじゅう

3.とうv远小于c时,m近似きんじ于m0符合ふごううし顿力がく定律ていりつ

あい对论力学りきがく

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ざいせま义相对论ちゅううし顿第定律ていりつF = maおうあらためうつしなりしきF = ma解釋かいしゃくためしきてき特例とくれい

 

而動りょうP = Mv,其中Mてい值,所以ゆえんすえ微分びぶん計算けいさんしきd(uv)=udv+vdu,とく

 

とく

 

よしうえしき见,加速度かそくど不和ふわりょくてき方向ほうこう一致いっち,且随速度そくど逐渐趋向于光そく物体ぶったいてき质量趋向于无穷大,加速度かそくど趋向于零。

あい对论のうりょう

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すえ 公式こうしき,运动时物体ぶったい质量增大ぞうだいどう时运动时しょうかいゆう动能,质量あずか动能ひとしずい速度そくど增大ぞうだい增大ぞうだい

すえ 

とく 

いん ,所以ゆえん 

ゆかり 公式こうしきあらためうつし而得 

いん为m,vtてき函数かんすうはた该式两边对t微分びぶんとく 

はた結果けっか带入うえしき とく

 

对其积分, 

这就しょう对论てき动能公式こうしきとう速度そくど为0 所以ゆえん动能为0。 物体ぶったい静止せいし时的のうりょう。而总のうりょう=静止せいしのうりょう+动能,いん此总のうりょう .

あい对论动量与能よのうりょう

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すえ 

等式とうしき左右さゆう两边平方へいほうさい同乘どうじょう以光そくてきかた

とく: 

此外,难证あきら: 

うえ两式说明动量与能よのうりょうみつきりしょう关的

とう速度そくど接近せっきん光速こうそく,vやくとう於c,いん此最一式いっしきあらためうつしため 

あい对论てき电效应——磁场与电场てき统一

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古典こてん電磁でんじがくてき理論りろん研究けんきゅう開始かいしりょうゆうせき電磁波でんじは傳播でんぱてきさがせ討。よし擴展電磁でんじこうおうてき方程式ほうていしき推得,わかEじょうBじょう以有げんてき速度そくど傳播でんぱ帶電たいでん粒子りゅうし需要じゅよう符合ふごう特定とくていてき條件じょうけんゆうせき帶電たいでん粒子りゅうしてき相關そうかん研究けんきゅう形成けいせいりょうはじむおさめ-維謝ぜいやめ開始かいし往狭义相对论前進ぜんしん

いち移動いどう粒子りゅうしさんせいてき電場でんじょうわかようらく伦兹变换轉換てんかんいた固定こていすわしるべけいかい出現しゅつげん對應たいおう磁場じばてきこう相對そうたいてきいち移動いどう粒子りゅうしさんせいてき磁場じばわかざい一個速度和粒子相同的坐標系來觀察,磁場じばかい消失しょうしつ轉變てんぺんため電場でんじょうむぎかつ斯韦かたほどただこれはたせま义相对论てきこうおう應用おうようざい古典こてんしき經驗けいけんせいてき結果けっかよし於電じょう磁場じば都和つわすわしるべけいゆうせき,而且かい互相轉換てんかんせま义相对论提供ていきょう電磁場でんじばしたがえ一個慣性坐標系轉移到另一個慣性坐標系時,需要じゅようてき轉換てんかん公式こうしき

实验验证

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  • よこむこう勒效应实验
  • 高速こうそく运动粒子りゅうし寿命じゅみょうてき测定

1、ざい超新星ちょうしんせいばく发中产生てき宇宙うちゅうしゃ线,ざいきん光速こうそく运动中半なかばおとろえのべ长。[4]

2、ざい粒子りゅうし加速器かそくきなかかいはんおとろえのべ长。[5]

3、携带原子げんしてき实验#ざい2010ねん美國びくに國家こっか標準ひょうじゅん技術ぎじゅつ研究所けんきゅうじょ比較ひかく一個在地面的原子钟和在高速火箭上的電子鐘,证实りょうそう生子おいご佯谬成立せいりつ[6]

相關そうかん條目じょうもく

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延伸えんしん阅读

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[]

 ろん動體どうたいてき電動でんどう力學りきがく

参考さんこう文献ぶんけん

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  1. ^ Albert Einstein (1905) "Zur Elektrodynamik bewegter Körper", Annalen der Physik 17: 891; 英文えいぶん翻譯ほんやくためGeorge Barker Jeffery Wilfrid Perrett翻譯ほんやくてきOn the Electrodynamics of Moving Bodies页面そん档备份そん互联网档あん)(1923); 另いちはん英文えいぶん翻譯ほんやくためMegh Nad Saha翻譯ほんやくてきOn the Electrodynamics of Moving Bodies(1920).
  2. ^ 识拓てん. 钦州教育きょういくしんいき网. [2013-10-06]. (原始げんし内容ないようそん档于2015-06-10). 
  3. ^ Griffiths, David J. 电动力学りきがく导论(だい4はん). 北京ぺきん: つくえ械工业出版しゅっぱんしゃ. 2021: 508. ISBN 978-7-111-67807-6. 
  4. ^ Easwar, Nalini; Macintire, Douglas A. Study of the effect of relativistic time dilation on cosmic ray muon flux – An undergraduate modern physics experiment. American Journal of Physics. 1991, 59 (7): 589–592. Bibcode:1991AmJPh..59..589E. doi:10.1119/1.16841. 
  5. ^ Balandin, M. P.; Grebenyuk, V. M.; Zinov, V. G.; Konin, A. D.; Ponomarev, A. N. Measurement of the lifetime of the positive muon. Soviet Physics JETP. 1974, 40: 811. Bibcode:1974JETP...40..811B. 
  6. ^ Laura Ost. NIST Pair of Aluminum Atomic Clocks Reveal Einstein's Relativity at a Personal Scale. NIST. 2010-09-24 [2013-10-06]. (原始げんし内容ないようそん档于2013-09-20).