在所有惯性系中,一切物理定律都具有相同的形式,即具有相同的数学表达形式. 或者说,对于描述一切物理现象的规律来说,所有惯性系都是等价的
在所有惯性系中,真空中光沿各个方向传播的速率都等于同一个恒量 c c c,与光源和观察者的运动状态无关.
在 S ′ S^{'} S′ 系中异地同时
发生的两个事件中,在 S S S 系看来并不同时
,即"同时性"具有相对性. 显然,在一个惯性系中同地同时
发生的两个事件,对其他惯性系都是同时
的.
固有时间
:在静止惯性系中测得发生在同一地点的两个事件之间的时间间隔 τ 0 \tau_0 τ0.
时间膨胀
:在运动的惯性系中测得上述两个事件之间的时间间隔 τ \tau τ, τ > τ \tau>\tau τ>τ
满足: τ = τ 0 1 − β 2 \tau=\frac{\tau_0}{\sqrt{1-\beta^2}} τ=1−β2τ0
固有长度
:在静止惯性系中测得的物体长度 l 0 l_0 l0.
长度收缩
:在沿着物体长度方向运动的惯性系中测得的物体长度 l l l, l < l 0 l<l_0 l<l0.
满足: l = l 0 1 − β 2 l=l_0\sqrt{1-\beta^2} l=l01−β2
惯性系 S ( x , y , z ) S(x,y,z) S(x,y,z) 和 S ′ ( x ′ , y ′ , z ′ ) S^{'}(x^{'},y^{'},z^{'}) S′(x′,y′,z′) 和 x x x 轴与 x ′ x^{'} x′ 轴重合,且在时刻 t = t ′ = 0 t=t^{'}=0 t=t′=0 时,原点 O O O 与 O ′ O^{'} O′ 重合, S ′ S^{'} S′ 系相对于 S S S 系以速度 u u u 沿 x x x 方向做匀速运动.
设某一事件 A A A 在 S S S 系中观测到的时空坐标为 ( x , y , z , t ) (x,y,z,t) (x,y,z,t),在 S ′ S^{'} S′ 系中观测到的时空坐标为 ( x ′ , y ′ , z ′ , t ′ ) (x^{'},y^{'},z^{'},t^{'}) (x′,y′,z′,t′),则在狭义相对论中它们满足洛伦兹变换 洛 伦 兹 正 变 换 { x ′ = x − u t 1 − β 2 y ′ = y z ′ = z t ′ = t − u c 2 x 1 − β 2 洛伦兹正变换\begin{cases} x^{'}=\frac{x-ut}{\sqrt{1-\beta^2}} \\ y^{'}=y \\ z^{'}=z \\ t^{'}=\frac{t-\frac{u}{c^2}x}{\sqrt{1-\beta^2}} \end{cases} 洛伦兹正变换⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎧x′=1−β2x−uty′=yz′=zt′=1−β2t−c2ux 洛 伦 兹 逆 变 换 { x = x ‘ + u t ′ 1 − β 2 y = y ′ z = z ′ t = t ′ + u c 2 x ′ 1 − β 2 洛伦兹逆变换\begin{cases} x=\frac{x^{‘}+ut^{'}}{\sqrt{1-\beta^2}} \\ y=y^{'} \\ z=z^{'} \\ t=\frac{t^{'}+\frac{u}{c^2}x^{'}}{\sqrt{1-\beta^2}} \end{cases} 洛伦兹逆变换⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧x=1−β2x‘+ut′y=y′z=z′t=1−β2t′+c2ux′式中 β = u c \beta=\frac{u}{c} β=cu.
经常会用到洛伦兹变换的另一种形式. 设两事件 1 1 1 和 2 2 2 ,事件 1 1 1 在 S S S 和 S ′ S^{'} S′ 系中的时空坐标分别为 ( x 1 , y 1 , z 1 , t 1 ) (x_1,y_1,z_1,t_1) (x1,y1,z1,t1) 和 ( x 1 ′ , y 1 ′ , z 1 ′ , t 1 ′ ) (x^{'}_1,y^{'}_1,z^{'}_1,t^{'}_1) (x1′,y1′,z1′,t1′),事件 2 2 2 在 S S S 和 S ′ S^{'} S′ 系中的时空坐标分别为 ( x 2 , y 2 , z 2 , t 2 ) (x_2,y_2,z_2,t_2) (x2,y2,z2,t2) 和 ( x 2 ′ , y 2 ′ , z 2 ′ , t 2 ′ ) (x^{'}_2,y^{'}_2,z^{'}_2,t^{'}_2) (x2′,y2′,z2′,t2′),则有 { Δ x ′ = Δ x − u Δ t 1 − β 2 Δ y ′ = Δ y Δ z ′ = Δ z Δ t ′ = Δ t − u c 2 Δ x 1 − β 2 \begin{cases} \Delta x^{'}=\frac{\Delta x-u\Delta t}{\sqrt{1-\beta^2}} \\ \Delta y^{'}=\Delta y \\ \Delta z^{'}=\Delta z \\ \Delta t^{'}=\frac{\Delta t-\frac{u}{c^2}\Delta x}{\sqrt{1-\beta^2}} \end{cases} ⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎧Δx′=1−β2Δx−uΔtΔy′=ΔyΔz′=ΔzΔt′=1−β2Δt−c2uΔx { Δ x = Δ x ‘ + u Δ t ′ 1 − β 2 Δ y = Δ y ′ Δ z = Δ z ′ Δ t = Δ t ′ + u c 2 Δ x ′ 1 − β 2 \begin{cases} \Delta x=\frac{\Delta x^{‘}+u\Delta t^{'}}{\sqrt{1-\beta^2}} \\ \Delta y=\Delta y^{'} \\ \Delta z=\Delta z^{'} \\ \Delta t=\frac{\Delta t^{'}+\frac{u}{c^2}\Delta x^{'}}{\sqrt{1-\beta^2}} \end{cases} ⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎧Δx=1−β2Δx‘+uΔt′Δy=Δy′Δz=Δz′Δt=1−β2Δt′+c2uΔx′式中 Δ x = x 2 − x 1 , Δ y = y 2 − y 1 , Δ z = z 2 − z 1 , Δ t = t 2 − t 1 \Delta x=x_2-x_1,\Delta y=y_2-y_1,\Delta z=z_2-z_1,\Delta t=t_2-t_1 Δx=x2−x1,Δy=y2−y1,Δz=z2−z1,Δt=t2−t1
Δ x ′ = x 2 ′ − x 1 ′ , Δ y ′ = y 2 ′ − y 1 ′ , Δ z ′ = z 2 ′ − z 1 ′ , Δ t ′ = t 2 ′ − t 1 ′ \Delta x^{'}=x^{'}_2-x^{'}_1,\Delta y^{'}=y^{'}_2-y^{'}_1,\Delta z^{'}=z^{'}_2-z^{'}_1,\Delta t^{'}=t^{'}_2-t^{'}_1 Δx′=x2′−x1′,Δy′=y2′−y1′,Δz′=z2′−z1′,Δt′=t2′−t1′
m = m 0 1 − β 2 m=\frac{m_0}{\sqrt{1-\beta^2}} m=1−β2m0
p = m v = m 0 v 1 − β 2 p=mv=\frac{m_0v}{\sqrt{1-\beta^2}} p=mv=1−β2m0v
E k = E − E 0 = m c 2 − m 0 c 2 E_k=E-E_0=mc^2-m_0c^2 Ek=E−E0=mc2−m0c2
爱因斯坦指出:式中 E 0 = m 0 c 2 E_0=m_0c^2 E0=m0c2 应当是质点静止时所具有的能量,称为静止能量,简称静能, E = m c 2 E=mc^2 E=mc2 是质点运动时所具有的总能量,二者之差即为质点由于其运动而增加的能量,也就是动能 E k E_k Ek.
E 2 = p 2 c 2 + E 0 2 E^2=p^2c^2+E_0^2 E2=p2c2+E02对于光子, m 0 = 0 , E = p c , p = h ν c = h λ m_0=0,E=pc,p=\frac{h\nu}{c}=\frac{h}{\lambda} m0=0,E=pc,p=chν=λh