广义相对论公式推导（广义相对论三个基本公式）

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爱因斯坦狭义与广义相对论所有的公式

狭义相对论
special relativity 适用于惯性系，从时间、空间等基本概念出发将力学和电磁学统一起来的物理理论。1905年由A.爱因斯坦创建 。这个理论在涉及高速运动现象时，同经典物理理论显示出重要的区别。
产生 到19世纪末，经典物理理论已经相当完善，当时物理学界较为普遍地认为物理理论已大功告成，剩下的不过是提高计算和测量的精度而已。然而某些涉及高速运动的物理现象显示了与经典理论的冲突，而且整个经典物理理论显得很不和谐：①电磁理论按照经典的伽利略变换不满足相对性原理，表明存在绝对静止的参考系，而探测绝对静止参考系的种种努力均告失败。②似乎存在着经典力学无法说明的极限速度。③电子的质量依赖于它的速度。在这种形势下，有见地的物理学家预感到物理学中正孕育着一场深刻的革命。爱因斯坦立足于物理概念要以观察到的事实为依据，而不能以先验的概念强加于客观事实，他考察了一些普遍的物理事实和经典物理学中如运动、时间、空间等基本概念，看出以下两点具有根本的重要性，并把它们作为建立新理论的基本原理：①狭义相对性原理，不仅力学实验，而且电磁学实验也无法确定自身惯性系的运动状态，也就是说，在一切惯性系中的物理定律都具有相同的形式。②光速不变原理，真空中的光速对不同惯性系的观察者来说都是c。承认这两条原理，牛顿的绝对时间、绝对空间观念必须修改，异地同时概念只具有相对意义。在此基础上，爱因斯坦建立了狭义相对论。
内容 洛伦兹变换 根据相对性原理和光速不变原理，可导出两个惯性系之间时空坐标之间的洛伦兹变换。当两个惯性系S和S′相应的笛卡尔坐标轴彼此平行，S′系相对于S系的运动速度v仅在x轴方向上，且当t＝t′＝0时，S′系和S系坐标原点重合，则事件在S系和S′系中时空坐标的洛伦兹变换为
x′＝γ（x－vt），y′＝y，z′＝z，t′＝γ（t－vx／c2）式中γ＝（1－v2／c2）-1/2；c为真空中的光速。洛伦兹变换是狭义相对论中最基本的关系，狭义相对论的许多新的效应和结论都可从洛伦兹变换中直接得出，它表明时间和空间具有不可分割的联系。当速度远小于光速 ，即v玞时，洛伦兹变换退化为伽利略变换，经典力学是相对论力学的低速近似。
同时性的相对性 在某个惯性系中看来异地发生的两个事件是同时的，那末在相对于这一惯性系运动的其他惯性系看来就不是同时的，因此在狭义相对论中，同时性概念不再具有绝对的意义，只具有相对的意义。不仅如此，在不同惯性系看来，两异地事件的时间顺序还可能发生颠倒；但是具有因果联系的两事件的时间顺序不会发生颠倒。同时性的相对性是狭义相对论中非常基本的概念，时间和空间的许多新特性都与此有关。
长度收缩 狭义相对论预言，一根沿其长度方向运动速度为v的杆子的长度l比它静止时的长度l0要短，
l＝l0。
长度收缩不是物质的动力学过程，而是属于空间的性质。它是由于测量一根运动杆子的长度须同时测量其两端，在不同惯性系中，同时性具有相对性，因而不同惯性系中得出的结果不同，只具有相对的意义。
时间延缓 狭义相对论预言，运动时钟的时率比时钟静止时的时率要慢。设在S¢系中静止的时钟测得某地先后发生两事件的时间间隔为Δτ，在S系中，这两个事件不是发生在同一地点，须用校准好的同步钟测量，测得它们先后发生的时间间隔为Δt，Δτ＝Δt＜Δt。时间延缓是同时性的相对性的结果，是时间的属性，不仅运动时钟的时率要慢，一切与时间有关的过程如振动的周期、粒子的平均寿命等都因运动而变慢。
速度变换公式 按照狭义相对论，当S′系和S系相应坐标轴彼此平行，S′系相对于S系的速度v沿x方向，则质点相对于S系的速度 u＝｛ux，uy，uz｝和相对于S¢系的速度u'＝｛u'x，u'y，u'z｝之间的变换关系为当u玞时，相对论速度变换公式退化为伽利略速度变换公式。
相对论多普勒频移 设光源相对静止时发射光的频率为v0，当光源以速度u运动时，接收到光波频率为v＝0，狭义相对论预言， ，式中θ为光源运动方向与观测方向之间的夹角。与经典的多普勒效应不同，存在着横向多普勒频移，当光源运动方向与观测方向垂直时，θ＝90°，则 。横向多普勒频移是时间延缓的效应。
质速关系 狭义相对论预言，与经典力学不同，物体的质量不再是与其运动状态无关的量，它依赖于物体的运动速度。运动物体速度为v时的质量为，式中m0为物体的静质量，当物体的速度趋于光速时，物体的质量趋于无穷大。
关于狭义相对论中的质量，还存在另一种观点，认为只有一种不变的质量，即物体的静质量，无法明确定义运动质量。两种观点对于狭义相对论的基本看法上没有分歧，只是对质量概念的引入上存在分歧。后一种观点在概念引入的逻辑严谨性上更为可取，而前一种观点对于某些物理现象，如回旋加速器的加速限制、康普顿效应以及光线的引力偏折等，作浅显说明颇为有效。
质能关系 狭义相对论最重要的预言是物体的能量E和质量m有当量关系，E＝mc2。与物体静质量m0相联系的能量E0＝m0c2。质能关系是核能释放的理论基础。
能量动量关系 狭义相对论中动量定义为
，能量动量关系为。
极限速度与光子的静质量 真空中的光速c是一个绝对量，是一切物体运动速度的极限，也是一切实在的物理作用传递速度的极限。从质速关系可以看出一切以光速c运动的物质的静质量必为零，光子的静质量为零。
在狭义相对论中，牛顿定律f＝ma的形式不再成立，它在洛伦兹变换下不能保持形式不变，因而它不满足相对性原理而必须修改，代替的力学规律的形式是f＝dp／dt，式中p为物体的动量。电磁场的麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式f＝q（E＋u×B）在洛伦兹变换下形式保持不变，它们是狭义相对论的电磁规律。在狭义相对论中，动量守恒、能量守恒定律仍然成立，能量守恒包括了质量守恒。
在经典物理学中，物理定律总是表述为把时间坐标和空间坐标分开来，洛伦兹变换表明时间坐标和空间坐标应作统一处理。H.闵可夫斯基发展了狭义相对论的形式体系，采用在四维时空中表述物理定律和公式。这样的表述，相对论的协变性质表达得更为明晰，物理定律的形式更为简洁，许多问题的求解也更为简便。
意义 狭义相对论经受了广泛的实验检验，所有的实验都没有检测到同狭义相对论有什么不一致的结果。狭义相对论是基础牢靠、逻辑结构严谨和形式完美的物理理论。广泛应用于许多学科，和量子力学成为近代物理学的两大理论支柱。在现代物理学中，成为检验基本粒子相互作用的各种可能形式的试金石，只有符合狭义相对论的那些理论才有考虑的必要，这就严格限制了各种理论成立的可能性。

狭义相对论的几个公式是不是非要用洛伦兹变换才能推出来？最好是高中方法

狭义相对论的几个公式是指长度收缩和时间膨胀那几个公式？就我所遇到的书籍来说，都是从Lorentz equations推出来的，而且就应该从Lorentz equations推出来。其实用光速不变也可以。你就接受那几个公式就好，就算现在你会推导，你也并不会理解它们的含义。
而关键实际上是如何导出Lorentz transformation。基本上有两种方法，一种是由光速不变和狭义相对原理；另一种是由时空的均匀和各向同性推出。

求狭义相对论的公式含义

狭义相对论公式及证明
单位 符号 单位 符号
坐标 m (x,y,z) 力 N F(f)
时间 s t(T) 质量 kg m(M)
位移 m r 动量 kg*m/s p(P)
速度 m/s v(u) 能量 J E
加速度 m/s^2 a 冲量 N*s I
长度 m l(L) 动能 J Ek
路程 m s(S) 势能 J Ep
角速度 rad/s ω 力矩 N*m M
角加速度 rad/s^2 α 功率 W P 一、牛顿力学（预备知识） 1．质点运动学基本公式：（1）v=dr/dt，r=r0+∫rdt
（2）a=dv/dt，v=v0+∫adt
（注：两式中左式为微分形式，右式为积分形式）
当v不变时，（1）表示匀速直线运动。
当a不变时，（2）表示匀变速直线运动。
只要知道质点的运动方程r=r(t)，它的一切运动规律就可知了。 2．质点动力学：
（1）牛顿第一定律：不受力的物体做匀速直线运动。
（2）牛顿第二定律：物体加速度与合外力成正比与质量成反比。
F=ma=mdv/dt=dp/dt
（3）牛顿第三定律：作用力与反作与力等大反向作用在同一直线上。
（4）万有引力定律：两质点间作用力与质量乘积成正比，与距离平方成反比。
F=GMm/r^2，G=6.67259*10^(-11)m^3/(kg*s^2)
动量定理：I=∫Fdt=p2-p1（合外力的冲量等于动量的变化）
动量守恒：合外力为零时，系统动量保持不变。
动能定理：W=∫Fds=Ek2-Ek1（合外力的功等于动能的变化）
机械能守恒：只有重力做功时，Ek1+Ep1=Ek2+Ep2
（注：牛顿力学的核心是牛顿第二定律：F=ma，它是运动学与动力学的桥梁，我们的目的是知道物体的运动规律，即求解运动方程r=r(t)，若知受力情况，根据牛顿第二定律可得a，再根据运动学基本公式求之。同样，若知运动方程r=r(t)，可根据运动学基本公式求a，再由牛顿第二定律可知物体的受力情况。） 二、狭义相对论力学
（注：γ=1/sqr(1-u^2/c^2)，β=u/c，u为惯性系速度。) 1．基本原理：（1）相对性原理：所有惯性系都是等价的。
（2）光速不变原理：真空中的光速是与惯性系无关的常数。 （此处先给出公式再给出证明）
2．洛仑兹坐标变换：
X=γ(x-ut)
Y=y
Z=z
T=γ(t-ux/c^2) 3．速度变换：
V(x)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2)
V(y)=v(y)/(γ(1-v(x)u/c^2))
V(z)=v(z)/(γ(1-v(x)u/c^2)) 4．尺缩效应：△L=△l/γ或dL=dl/γ 5．钟慢效应：△t=γ△τ或dt=dτ/γ 6．光的多普勒效应：ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b)
（光源与探测器在一条直线上运动。） 7．动量表达式：P=Mv=γmv,即M=γm 8．相对论力学基本方程：F=dP/dt 9．质能方程：E=Mc^2 10．能量动量关系：E^2=(E0)^2+P^2c^2

狭义相对论相关证明公式

狭义相对论力学：(注：γ=1/sqr(1-u^2/c^2),β=u/c,u为惯性系速度。) (一)基本原理：(1)相对性原理：所有惯性系都是等价的。 (2)光速不变原理：真空中的光速是与惯性系无关的常数。 (此处先给出公式再给出证明) (二)洛仑兹坐标变换： X=γ(x-ut) Y=y Z=z T=γ(t-ux/c^2) (三)速度变换： V(x)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2) V(y)=v(y)/(γ(1-v(x)u/c^2)) V(z)=v(z)/(γ(1-v(x)u/c^2)) (四)尺缩效应：△L=△l/γ或dL=dl/γ (五)钟慢效应：△t=γ△τ或dt=dτ/γ (六)光的多普勒效应：ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b) (光源与探测器在一条直线上运动。) (七)动量表达式：P=Mv=γmv,即M=γm. (八)相对论力学基本方程：F=dP/dt (九)质能方程：E=Mc^2 (十)能量动量关系：E^2=(E0)^2+P^2c^2 (注：在此用两种方法证明，一种在三维空间内进行，一种在四维时空中证明，实际上他们是等价的。) 三： 三维证明： (一)由实验总结出的公理，无法证明。 (二)洛仑兹变换： 设(x,y,z,t)所在坐标系(A系)静止，(X,Y,Z,T)所在坐标系(B系)速度为u,且沿x轴正向。在A系原点处，x=0,B系中A原点的坐标为X=-uT,即X+uT=0。可令x=k(X+uT),(1).又因在惯性系内的各点位置是等价的，因此k是与u有关的常数(广义相对论中，由于时空弯曲，各点不再等价，因此k不再是常数。)同理，B系中的原点处有X=K(x-ut),由相对性原理知，两个惯性系等价，除速度反向外，两式应取相同的形式，即k=K.故有X=k(x-ut),(2).对于y,z,Y,Z皆与速度无关，可得Y=y,(3).Z=z(4).将(2)代入(1)可得：x=k^2(x-ut)+kuT,即T=kt+((1-k^2)/(ku))x,(5).(1)(2)(3)(4)(5)满足相对性原理，要确定k需用光速不变原理。当两系的原点重合时，由重合点发出一光信号，则对两系分别有x=ct,X=cT.代入(1)(2)式得：ct=kT(c+u),cT=kt(c-u).两式相乘消去t和T得：k=1/sqr(1-u^2/c^2)=γ.将γ反代入(2)(5)式得坐标变换： X=γ(x-ut) Y=y Z=z T=γ(t-ux/c^2) (三)速度变换： V(x)=dX/dT=γ(dx-ut)/(γ(dt-udx/c^2)) =(dx/dt-u)/(1-(dx/dt)u/c^2)

=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2) 同理可得V(y),V(z)的表达式。 (四)尺缩效应： B系中有一与x轴平行长l的细杆，则由X=γ(x-ut)得：△X=γ(△x-u△t),又△t=0(要同时测量两端的坐标)，则△X=γ△x,即：△l=γ△L,△L=△l/γ (五)钟慢效应： 由坐标变换的逆变换可知，t=γ(T+Xu/c^2),故△t=γ(△T+△Xu/c^2),又△X=0,(要在同地测量)，故△t=γ△T. (注：与坐标系相对静止的物体的长度、质量和时间间隔称固有长度、静止质量和固有时，是不随坐标变换而变的客观量。) (六)光的多普勒效应：(注：声音的多普勒效应是：ν(a)=((u+v1)/(u-v2))ν(b).) B系原点处一光源发出光信号，A系原点有一探测器，两系中分别有两个钟，当两系原点重合时，校准时钟开始计时。B系中光源频率为ν(b),波数为N，B系的钟测得的时间是△t(b),由钟慢效应可知，A△系中的钟测得的时间为△t(a)=γ△t(b),(1).探测器开始接收时刻为t1+x/c,最终时刻为t2+(x+v△t(a))/c,则△t(N)=(1+β)△t(a),(2).相对运动不影响光信号的波数，故光源发出的波数与探测器接收的波数相同，即ν(b)△t(b)=ν(a)△t(N),(3).由以上三式可得：ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b). (七)动量表达式:(注：dt=γdτ,此时，γ=1/sqr(1-v^2/c^2)因为对于动力学质点可选自身为参考系，β=v/c) 牛二在伽利略变换下，保持形势不变，即无论在那个惯性系内，牛二都成立，但在洛伦兹变换下，原本简洁的形式变得乱七八糟，因此有必要对牛顿定律进行修正，要求是在坐标变换下仍保持原有的简洁形式。 牛顿力学中，v=dr/dt,r在坐标变换下形式不变，（旧坐标系中为（x,y,z）新坐标系中为(X,Y,Z)）只要将分母替换为一个不变量（当然非固有时dτ莫属）就可以修正速度的概念了。即令V=dr/dτ=γdr/dt=γv为相对论速度。牛顿动量为p=mv,将v替换为V，可修正动量，即p=mV=γmv。定义M=γm(相对论质量)则p=Mv.这就是相对论力学的基本量：相对论动量。（注：我们一般不用相对论速度而是用牛顿速度来参与计算） (八)相对论力学基本方程： 由相对论动量表达式可知：F=dp/dt,这是力的定义式，虽与牛二的形式完全一样，但内涵不一样。（相对论中质量是变量） (九)质能方程： Ek=∫Fdr=∫(dp/dt)*dr=∫dp*dr/dt=∫vdp=pv-∫pdv =Mv^2-∫mv/sqr(1-v^2/c^2)dv=Mv^2+mc^2*sqr(1-v^2/c^2)-mc^2 =Mv^2+Mc^2(1-v^2/c^2)-mc^2 =Mc^2-mc^2 即E=Mc^2=Ek+mc^2 (十)能量动量关系： E=Mc^2,p=Mv,γ=1/sqr(1-v^2/c^2),E0=mc^2,可得：E^2=(E0)^2+p^2c^2 四： 四维证明： (一)公理，无法证明。 (二)坐标变换：由光速不变原理：dl=cdt,即dx^2+dy^2+dz^2+(icdt)^2=0在任意惯性系内都成立。定义dS为四维间隔，dS^2=dx^2+dy^2+dz^2+(icdt)^2,(1).则对光信号dS恒等于0，而对于任意两时空点的dS一般不为0。dS^2〉0称类空间隔，dS^2<0称类时间隔，dS^2=0称类光间隔。相对论原理要求（1）式在坐标变换下形式不变，因此（1）式中存在与坐标变换无关的不变量，dS^2dS^2光速不变原理要求光信号在坐标变换下dS是不变量。因此在两个原理的共同制约下，可得出一个重要的结论：dS是坐标变换下的不变量。 由数学的旋转变换公式有：（保持y,z轴不动，旋转x和ict轴） X=xcosφ+(ict)sinφ icT=-xsinφ+(ict)cosφ Y=y Z=z 当X=0时，x=ut,则0=utcosφ+ictsinφ 得：tanφ=iu/c,则cosφ=γ,sinφ=iuγ/c反代入上式得： X=γ(x-ut) Y=y Z=z T=γ(t-ux/c^2) (三)(四)(五)(六)(八)(十)略。 (七)动量表达式及四维矢量：(注：γ=1/sqr(1-v^2/c^2),下式中dt=γdτ) 令r=(x,y,z,ict)则将v=dr/dt中的dt替换为dτ，V=dr/dτ称四维速度。 则V=(γv,icγ)γv为三维分量，v为三维速度，icγ为第四维分量。（以下同理） 四维动量：P=mV=(γmv,icγm)=(Mv,icM) 四维力：f=dP/dτ=γdP/dt=(γF,γicdM/dt)(F为三维力) 四维加速度：ω=/dτ=(γ^4a,γ^4iva/c) 则f=mdV/dτ=mω (九)质能方程： fV=mωV=m(γ^5va+i^2γ^5va)=0 故四维力与四维速度永远“垂直”，（类似于洛伦兹磁场力） 由fV=0得：γ^2mFv+γic(dM/dt)(icγm)=0(F,v为三维矢量，且Fv=dEk/dt(功率表达式)) 故dEk/dt=c^2dM/dt即∫dEk=c^2∫dM,即:Ek=Mc^2-mc^2 故E=Mc^2=Ek+mc^2

狭义相对论公式

T1=(T-VX/C^2) / (1-V^2/C^2)^(1/2)
T= (T1+VX/C^2)/ (1-V^2/C^2)^(1/2)

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广义相对论公式推导（广义相对论三个基本公式）