引入
两个惯性系的坐标怎么换算,才能保证光速不变?
为什么运动的钟会走得慢,运动的尺会变短?
为什么速度叠加公式在高速下不再是简单相加?
经典力学用伽利略变换联系两个惯性系的时空坐标(,)。但伽利略变换与光速不变原理矛盾。洛伦兹变换是满足相对论两个基本假设的正确时空坐标变换。
正文
定义
洛伦兹变换是联系两个惯性参考系的时空坐标变换,满足光速在所有惯性系中不变的约束。
变换公式
设参考系 以速度 沿 轴相对 运动:
其中洛伦兹因子:
关键点在于时间坐标 也依赖 。这是与伽利略变换最本质的差别:时间和空间不再独立。
与伽利略变换的关系
当 时,,且 :
就回到伽利略变换。
| 速度 | 与伽利略变换的偏差 | |
|---|---|---|
| 1.00005 | 可忽略 | |
| 1.005 | 0.5% | |
| 1.155 | 15% | |
| 2.294 | 129% | |
| 7.089 | 609% |
越小,相对论修正越不重要。日常速度下 ,偏差在 量级。
时间膨胀
系中同一地点发生的两件事(),在 系中测得的时间间隔:
其中 为固有时间(在事件发生地静止的钟测得)。
因为 ,所以 :运动的钟走得慢。
| 情形 | 固有时间 | 观测时间 |
|---|---|---|
| 飞船以 飞行 1 年(船内) | 1 年 | 1.67 年(地面) |
| 子以 运动 |
子的寿命延长是时间膨胀最经典的实验证据:宇宙射线产生的 子本应在到达地面前衰变完,但实际能大量到达地面。
长度收缩
系中静止的棒(固有长度 ),在 系中测得:
缩短只发生在运动方向上,垂直方向不变。
注意“测长度”要求同时测量两端位置,而“同时”本身依赖参考系,所以长度收缩与时间膨胀是同一个现象的两个侧面。
速度叠加
两个速度的相对论叠加:
验证光速不变:当 时:
无论 多大,结果都是 。速度不会超过光速。
| 伽利略结果 | 相对论结果 | ||
|---|---|---|---|
质能关系
洛伦兹变换的深层结果:质量和能量等价。
静止能量 。
| 概念 | 表达式 | 说明 |
|---|---|---|
| 静止能量 | 物体静止时的能量 | |
| 总能量 | 包含动能 | |
| 动能 | 低速下退化为 |
核反应中的质量亏损 释放能量:
这是核能释放的物理来源。 质量完全转化为能量约释放 ,相当于约 2 万吨 TNT。
四维时空
洛伦兹变换可以理解为四维时空中的“旋转”。定义时空间隔:
这个量在所有惯性系中相同——它是不变量。时间和空间各自会变,但它们的组合不变。
| 量 | 是否随参考系改变 |
|---|---|
| 时间间隔 | 变(时间膨胀) |
| 空间距离 | 变(长度收缩) |
| 时空间隔 | 不变 |
| 光速 | 不变 |
化学关联
| 效应 | 说明 |
|---|---|
| 重元素的相对论效应 | 第六周期元素(Au、Hg、Tl、Pb)的 电子速度接近光速,有效质量增大,轨道收缩 |
| 金的颜色 | 跃迁进入可见光区,吸收蓝紫光,呈黄色 |
| 汞的熔点 | 相对论效应使 轨道收缩,金属键减弱,常温为液态 |
| 精确计算 | 重元素的量子化学计算需加入相对论修正 |
常见误区
| 错误说法 | 问题 |
|---|---|
| “长度收缩是物体被压扁了” | 是测量结果,物体本身没有受力 |
| “时间膨胀是钟的机械问题” | 是时空性质,所有计时机制都受影响 |
| “速度叠加永远不能超过 ” | 是,但有静质量的物体也达不到 |
| “相对论只适用于高速” | 低速下也成立,只是退化为经典形式 |
引出
洛伦兹变换将时间和空间统一为四维时空。
闵可夫斯基时空几何是广义相对论的起点,但已超出日常化学应用的范围。
对于化学而言,狭义相对论的重要性主要体现在重元素的电子结构修正上。