7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 课件-2022-2023学年高一下学期物理人教版（2019）必修第二册

相对论时空观与牛顿力学的局限性 马赫对经典力学的批判 1883年，奥地利的马赫出版了《力学及其发展的批判历史概论》，从科学和哲学的角度对经典力学进行了尖锐的批判。马赫认为，自然的性质不能借助于所谓不证自明的假设来捏造，只应该从经验中引出。力图把不是源于经验、无法测量的概念统统取消。例如质量的概念，在牛顿的《力学原理》中，质量被定义为密度和体积的乘积。马赫认为，按照这种定义的方法，不同种类物体的质量无法比较，应当建立相对质量的概念：加速度是可测量的量，如果测得两物体由于相互作用产生了彼此大小相等、方向相反的加速度，那么这两个物体的质量就相等，如果测得的加速度不相等，则用加速度的负反比来表示这两个物体的质量之比。 马赫对牛顿绝对时空和绝对运动进行了批判，马赫认为：“时间是一种抽象”，时间是不能独立自存的。绝对时间“既无实践价值，也无科学价值，没有一个人提出证据说他知道关于绝对时间的任何东西，绝对时间是一种形而上学的概念”。同样，马赫认为：空间不能脱离我们对物体的知觉而存在。如果宇宙中没有物体，谈论空间就毫无意义。如果宇宙中只有一个物体，这唯一的物体也无运动可言。我们实际观察到的仅仅是相对于参照系的运动，而参照系是被相对的确定的。 爱因斯坦指出：马赫为相对论的发展铺平了道路。在狭义相对论创立的过程中，正是马赫对绝对时间的批判，使爱因斯坦“终于醒悟到时间是可疑的”，并从“同时性的相对性”这个问题上取得了突破性的进展。马赫对水桶实验的批判，使人们的思想从“绝对运动”的桎梏中解放出来，从而确立加速运动的相对性的观念。马赫的科学哲学思想甚至还直接或间接的影响了波尔、波恩、海森堡、泡利、薛定谔等一大批量子物理学家。 相对论时空观 迈克耳逊－莫雷实验与“以太”说破灭 1887年，迈克耳逊与美国化学家、物理学家莫雷合作，在克利夫兰进行了一个著名的实验：“迈克耳逊－莫雷实验”，即“以太漂移”实验。实验结果证明，不论地球运动的方向同光的传播方向一致或相反，两束光线根本没有表现出任何的时间差。说明在地球和设想的“以太”之间没有任何相对运动，因而，根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。 迈克耳逊一莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃哥白尼的地动说。经典物理学在这个著名实验面前，真是一筹莫展。 迈克尔逊-莫雷实验引起了物理界轰动，因为以太这个概念作为绝对运动的代表，是经典物理学和经典时空观的基础。对以太的否定，就意味着整个物理世界的轰然崩塌。 但随着麦克斯韦电磁场理论的建立和完善，经典物理学已经达到了其发展的顶峰，所以绝大多数人并不认为经典物理学的大厦就此倒塌。所以人们提出了许多折衷的办法，爱尔兰物理学家费兹杰惹和荷兰物理学家洛伦兹分别独立地提出了一种假说，认为物体在运动的方向上会发生长度的收缩，从而使得以太的相对运动速度无法被测量到。这些假说虽然使得以太的概念得以继续保留，但也已经对它的意义提出了强烈的质问，因为很难想象，一个只具有理论意义的“假设物理量”究竟有多少存在的必要。开尔文所说的“第一朵乌云”就是在这个意义上提出来的。 爱因斯坦经过不懈的探索加上非凡的抽象思维能力，最终拨开了物理学天空中令人不安的“ 乌云 ”，提出了著名的相对论。他于 1905 年提出两个基本假设： 相对性原理：所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。 光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速 c 都一样。 基于这两条基本原理，爱因斯坦建立了狭义相对论，把物理学研究推进到高速领域。 狭义相对论中的两个基本假设包含了不同于经典力学的新时空观,这种新时空观变革了传统的空间、时间、质量、能量等基本概念,揭示了时空统一性和物质、运动的统一性,因此会得出不同于“ 日常 ”的奇妙结论： 时间延缓 长度收缩 小结与作业 世纪之交接连不断的新发现，使经典物理学几乎在所有领域都遇到了困难。同时也孕育着一场物理学理论的重大变革即将到来。 查阅相关资料，完成一篇世纪之交物理学发展的小论文 $