19世纪初期，随着牛顿力学的逐步完善，物理学家的研究逐步从力学转移到了电磁学、光学、热学等领域。观察现象，模拟实验，分析原因，总结规律，是物理学家进行科学研究的普遍做法，在这个过程中，出现了一些使物理学家感到困惑的实验现象，这些现象都无法用已有的理论去给出合理的解释，比如： 1、安培力是哪来的？ 两排平行排列的同号电荷，对于与电荷相对静止的观察者A看来，电荷是静止的，两排电荷之间的是库仑力斥力，而对于相对电荷做匀速运动的观察者B看来，电荷是运动的，所以两排电荷形成的是两股电流，而同向电流之间是相互吸引的，这个吸引力就是安培力。可见，这里力出现了相对性，即对不同的观察者，力不是绝对不变的。 经典物理学告诉我们，所有的惯性参考系是平权的，匀速直线运动和相对静止没法通过实验区分，可安培力却告诉我们，选择不同的参考系，观察到的物理现象却是不同的，该如何解释呢？ 2、电磁波的速度是相对什么的速度？ 英国物理学家麦克斯韦通过严密的数学推理预言了电磁波的存在，并推导出了电磁波的速度，但令人疑惑的是，这个速度是相对什么参照物的速度，在推导过程中却没有体现，即以任何物体为参照物都可以得出这个速度。这又是与经典物理学矛盾的，因为经典物理学告诉我们，速度都是相对的，没有参照物，就无所谓速度。 3、光速为什么不变？ 19世界末20世纪初，物理学家设计了各种巧妙的实验去测量光速，却发现光速与参考系无关，即不管观察者以什么速度运动，测量出的光速都可认为是一个恒定值。 如果火车相对地面的速度是，人相对火车的速度是，则人相对地面的速度，这在经典物理中是很显然的事情，但是在测量光速的时候这个速度叠加定律却失效了，事实证明光相对火车和相对地面的速度是一样的，一点差别都没有。 类似的现象还有很多，这些现象都无法用已有的理论去解释。这只能说明一件事：现有的理论是错误的，或者说是不完善的。物理学家需要一套新的理论来解释这些现象，这就是相对论产生的历史背景。 实际上，在建立新理论的过程中，很多物理学家都做出了重要贡献，只是这些成果都是零散的、孤立的，并没有形成体系，直到爱因斯坦的出现，他在总结前人成果的基础上建立了一套全新的理论，以取代之前的经典物理理论，这就是狭义相对论。 很多科普读物在介绍狭义相对论时喜欢从一些反直觉的结论入手，这样虽然容易吸引读者的眼球，但往往会增加理解的难度。本文尽量按照物理学的一般发展规律来展开，首先由特殊到一般，通过个别现象去总结归纳其中的规律，再由一般到特殊，通过规律去导出其它各种必然的推论，希望最后再去研究这些反直觉的现象时，让大家觉得好像也并没有什么神奇之处，本来应该就是这样的。 狭义相对论的两个基本公设 狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的； 这是一个必须的假设，物理学家的目的就是为了找出自然运行的规律，如果连规律都没有普适性，也就不能称为规律了，物理学家的所有工作都将变得毫无意义。 光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中都相同； 这个公设来自于客观事实，因为已有的实验现象都证明了这一点，那就把它作为新的物理理论的一个基本公设，就像数学中的公理，是最基础的设定，不需要证明，也不需要问为什么。 洛伦兹变换 首先，我们把光速不变这个现象用数学语言描述一下： 假设有两个参考系S（Oxyz）和S’（O’x’y’z’），坐标轴相互平行且轴x与轴x’重合，S’相对S沿x轴以速度做匀速直线运动，以两坐标原点O和O’重合的时刻为计时起点。 在参考系S中，当t0时，光从原点O向四周发出，以球面波的形式向外延伸，如图所示 在时刻t时，球面的半径Rct（c代表光速），球面上任意一点的坐标都满足方程 移项，得 同理，在参考系S’中，看同样这个发光事件，起始时刻t’0，光从原点O’向四周发出（此时O与O’重合），在时刻t’时，球面的半径R’ct’，球面上任意一点的坐标满足方程 移项，得 这就是光速在不同参考系中恒定的数学表达方式之一。 由于假设两个参考系的相对速度仅沿x轴方向，所以、，显然，否则，两个参考系就重合了。这里我们得到了一个反直觉的结论：只要两个坐标系存在相对速度，它们的时间就是不同的。 这是由光速不变推出来的，认可了光速不变，就必须接受这个反直觉的结论。 下面我们继续推导两个坐标系之间的坐标及时间的变换关系。由两个坐标系中球面的表达式，可知x和t必定是x、t的线性函数，不妨设 ， 然后尝试用特殊值来求出参数A、B、C、D，从而得到坐标系间的变换规律： 考察O’点，在S坐标系中O’点以v做匀速运动，它在S坐标系中t时刻的坐标为xvt，而它在S’坐标系中的坐标x’0，代入参数方程，有 0； 考察O点，在S’坐标系中O点以v做匀速运动，它在S’坐标系中t’时刻的坐标为x’vt’，而它在S坐标系中的坐标x0，代入参数方程，有 ，，得； 从O发出的光，t时刻的坐标值在S中为xct，t’时刻的坐标值在S’中为x’ct’，由于光速在两个坐标系中不变，有 ， 化简得； 至此，坐标变换式可写成 由上式的逆变换可求得x、t用x、t表示的表达式 当S’坐标系以v运动时，由中所推结论，应有 注意，此时的表达式应该与中的逆变换等价，因为它们表示的是同样的物理过程，所以有 ，化简后，得 ，记作，称为相对论因子； 所以最终的变换式为 这个变换式就是大名鼎鼎的洛伦兹变换式，它是相对论中最重要的变换式，也是最基础的变换式。 如何理解这两个变换式呢？如图，两个坐标系S和S’相对运动的速度为v 在S中的t0时刻，观察S’的原点O’的坐标为（0，0），观察点A的坐标为（X，0）； 在S中，由洛伦兹坐标变换，O的坐标为（0，0），点A的坐标为（X，0）；（说明不同位置在不同参考系中的坐标是不同的，好像是句废话，但背后的含义可以仔细体会一下） 在S中，由洛伦兹时间变换，O的时刻为t0，点A的时刻为X；（说明同时的相对性，在S中原点O’与点A的时刻是相同的，在S中这两个位置的时刻就不一样了） 在S中的tt时刻，观察S’的原点O’的坐标为（vt，0），空间中点A的坐标为（X，0）， 在S中，由洛伦兹坐标变换，O的坐标为（0，0），点A的坐标为（X，0），X（Xvt）； 在S中，由洛伦兹时间变换，O的时间为t，点A的时间为 注意，洛伦兹变换的是不同参考系下的坐标和时刻，是学习和理解狭义相对论的基础，下一节我们将介绍由洛伦兹变换导出的一系列推论。
千年古银杏树上开奇花贵州省金彩盘州世界古银杏之乡的石桥镇妥乐村，千年古银杏树被称为活化石，是国家一级保护植物。有趣的是，妥乐的银杏树居然长出了国家二级保护植物华西蝴蝶兰。这样的景观已经有好几……过节多吃不长肉！这些小玩意儿或许能帮你忙新型冠状病毒肆虐蔓延，为了健康和安全，今年过年大家势必要少掉很多户外活动。但对于很多人来说，每逢春节胖三斤，无法去健身房又无法拒绝美食诱惑，该如何应对突如其来的脂肪呢？话……结石是怎么形成的原因（结石的症状有哪些）人体是血肉之躯，为什么会长出石头来？其实，结石盯上人类，除了与工作节奏紧张，更与不良的生活方式紧密相关，其中这5个坏习惯，是致病的罪魁祸首。不吃早餐。不吃早餐是诱发胆结石……76人众将豪言40横扫猛龙，哈登点出对方破绽，恩比德称无惧包76人在季后赛的首轮对手是猛龙，从阵容来看的话其实对方也不算很差，他们在锋线囤积了大量拥有运动能力极为出色的球员，但是从球员成色上来看的话，拥有哈登和恩比德两大MVP级别的球员……歌颂青春的诗句古诗（含有青春的诗句）诗词青春五首：少年见青春，万物皆妩媚，一从鬓上白，更觉日月驰青春，在古代汉语中最初是说的春天，草木峥嵘，青青可喜。传统五色青赤黄白黑，分别应对春，夏，长夏，秋，冬季节。皇……wps表格序号怎么自动生成（wps表格里怎样提取某一部分）我们在用WPS和Word进行办公的时候，为了方便统计数据，经常会需要对表格进行编号，数据少的话还可以手动逐个编号，如果数据很多的话，逐个编号就很浪费时间。其实，WPS文字和Wo……神州11号返回时间和着陆地点分别是？有位英雄已经去太空旅游三神州11号，返回时间是：2016年11月23日，主着陆地点是：内蒙古四子王旗，神州11号，一般指神舟十一号，简称神十一，是中国第六次载人飞行任务，实现了人国人太空旅游的梦想，完……第一位发现暗物质的女性在上世纪七十年代末，薇拉鲁宾（VeraRubin）和KentFord探索了螺旋星系仙女座。天文学家们在打卡机上得到的结果让他们感到惊讶，甚至震惊。因为他们发现：银河系的螺旋似乎……中国成功发射高分三号03星将组网形成海陆雷达卫星星座中新社北京4月7日电（马帅莎张未）记者从中国国家航天局获悉，北京时间4月7日7时47分，中国在酒泉卫星发射中心用长征四号丙运载火箭成功发射高分三号03星。该星入轨后将与在轨运行……官宣！两队达成交易，威少发飙，西蒙斯回归确定，欧文表态将解放北京时间3月17日，NBA常规赛继续激烈进行，同时NBA这边也是传来了很多有价值的消息，大概总结如下：欧文在接受采访表示仍然相信自己可以出战主场比赛；西蒙斯因下脊椎L4盘酸痛仍……神仙剧情！裁判最后3秒成主角，维金斯两罚一中，马刺准绝杀勇士北京时间3月21日，金州勇士主场迎战圣安东尼奥马刺。在今天的比赛中，由于库里没能够出战，因此，勇士从一开场就打得十分被动。最终，在最后时刻出现了神剧情，马刺险胜勇士。在集……苹果手机换芯片多少钱（苹果手机换个外屏多少钱）果粉之家，专业苹果手机技术研究十年！您身边的苹果专家如果你正打算或者已经下单购买今年的新iPhone，那么一定要看看这份篇iPhone13的维修定价，因为它可能会让你们更……