师：同学们，今天我们来学习高一物理粤教版必修二第五单元牛顿力学的局限性与相对论初步。本节课分为三个部分：牛顿经典力学的成就、相对论时空观、宇宙起源和演化。
首先，我们来看牛顿经典力学的成就。同学们经过前面的学习，知道牛顿在总结前人工作的基础上建立了牛顿力学体系。从哥白尼的日心说到开普勒三大行星运动定律，还有伽利略对自由落体和惯性的研究等。牛顿站在这些巨人的肩膀上，建立了牛顿运动定律、牛顿万有引力定律以及牛顿光学。以牛顿力学为基础发展的经典物理学，直到今天都能很好地解释我们日常生活中方方面面的现象，包括力、热、电、光等等。
牛顿力学基于绝对的时空观，只要知道物体现在的状态和描述物体运动的方程，便可以知道物体的过去位置和未来轨迹。以至于拉普拉斯这样描述：给我宇宙现在的状态，我将可以告诉你宇宙的过去和未来。
但是到了19世纪，情况开始有所转变。随着电磁学的发展，麦克斯韦提出了描述电磁理论的方程组，推导出电磁波的传播速度。维伯与赫兹等人测定电磁波的传播速度与已知的光速吻合，这表明光的本质是电磁波。电磁波的电场和磁场的振动方向都与其传播方向相垂直，电磁波在一个周期内传播的距离为一个波长。
1879年，迈克尔逊测得光速接近30万公里每秒，而这一年阿尔伯特·爱因斯坦出生于德国，后来移居瑞士。爱因斯坦在16岁时就有了这么一个想法，他设想如果人的速度足够快，达到光速的话，会看到什么呢？是不是意味着连光也不动了？这个想法被称为爱因斯坦的追光思想实验，正是这个奇妙的想法后来催生了相对论的建立。
1900年，英国物理学家威廉·汤姆逊在新世纪开端时讲到，经典物理学取得了巨大的成就，但是天空中飘着两朵乌云。第一朵乌云出现在光的波动理论上，第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦 - 玻尔兹曼理论上。第一朵乌云主要是指迈克尔逊 - 莫雷实验与以太漂移的矛盾，又被称为以太漂移假说。
从古希腊以来，以太的观念就深入人心，当时的人们认为真空中充斥着以太，电磁波传播的媒介就是以太。根据这样的设想，由于地球绕着太阳运动的速度可以达到30公里每秒，如果在地球上发射一束光，根据经典的速度叠加，顺着地球转动方向的光速会变为c + v，而逆着地球转动方向的光速会变为c - v。
基于这样一个假设，迈克尔逊和莫雷设计了一个独特的实验。他们将一束光照射到半透明的镜子上面，有一部分反射后沿着b路径经由上面的镜子再回来穿过中间的镜子到达下方的屏幕上，而另一部分经过a路径反射回来到达右边的镜子。这束光向右是顺着地球的转动方向，而向左是逆着地球转动方向，两个速度不同。最终在屏幕上接收的光，因为相位的差别，应该会出现干涉现象。
但是经过多次实验，迈克尔逊 - 莫雷始终得到的是零结果，没有发现任何干涉现象，他们甚至把整个实验装置旋转90度，得到的仍然是零结果。实验表明，光速在任何方向上都是保持不变的。
用通俗的方式来理解，在经典范畴内，假如在火箭上射出一支弓箭，那么弓箭实际的速度就是它本身的速度加上火箭的速度，一定大于在地面上的人射出的弓箭的速度，满足速度的叠加，V' = v + V?。火车和静止的地面是两个相对运动的惯性参考系，它们之间满足伽利略变换。而如果把弓箭换成一束光，会发现无论火车的速度多大，火车和地面上发出的光的速度都是一样的。这表明虽然在经典范畴内符合伽利略变换，但是光速并不满足伽利略变换。
为了解决这个问题，法国数学家和物理学家洛伦兹给出了两个惯性参考系中的变换关系，被称为洛伦兹变换。光速，即电磁波的速度在洛伦兹变换下保持不变，使得描述电磁波的麦克斯韦方程始终成立。洛伦兹变换的结果表明两个参考系的时间和空间是不同的。庞加莱由此提出了三条原理：一、物体不可能获得大于光速的速度；二、物理定律在所有惯性系中都是等价的；三、平动的物体在位移方向上会发生形变。可以说洛伦兹和庞加莱已经开启了相对论的大门。
此时爱因斯坦结束了他在苏黎世工业大学的学习，并且于1902年开始在瑞士博尔尼专利局担任技术员。正是在专利局的工作期间，爱因斯坦发表了多篇划时代的论文。1905年，被称为爱因斯坦的奇迹年。这一年6月，爱因斯坦发表了他的长篇论文《论动体的电动力学》，完整地提出了狭义相对论，基于两个基本原理：一、物理定律在所有惯性系中有相同的形式；二、在任意给定的惯性系中，光速c总是一样的，而与发光体是否静止或匀速运动无关。
我们从这两条基本原理出发，现在想象有一只飞船相对于地面向右匀速运动。在飞船上的人观察到一束光垂直上下往返，但是在地面上的人看来，因为飞船在向右移动，这束光走的是一条斜线。但是根据光速不变原理，两个参考系中光的速度应该是不变的，都等于c。
我们假设在飞船参考系中经历的时间是t，那么BC线段的长度就是$\frac{1}{2}$ct。假设在地面参考系中经历的时间是t'。AB线段表示飞船向右移动的距离为$\frac{1}{2}$vt'，AC为地面上的人看到光走的斜线为$\frac{1}{2}$ct'。根据勾股定律，$AC2 - AB2 = BC2$，我们就可以得到$c2 - v2t'2 = c2t2$，这样我们就得到了在地面参考系的时间$t' = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v2}{c2}}}×t$。那么t前面的因子取决于飞船相对于地面的速度v，我们把这个因子记作$\gamma = \frac{1}{\sqrt{1 - \frac{v2}{c2}}}$。由于v总是小于c，因此$\gamma$一定大于1，也就意味着在地面参考系的时间比飞船上经历的时间要长，这便是狭义相对论的时间延缓效应，即运动的物体时间会变慢。
类似的，我们也可以论证，在地面上的人看来，运动的火车的长度会变短，$l' = \frac{l}{\gamma}$，这便是狭义相对论的长度收缩效应。狭义相对论表明时间和空间不再是绝对的，而是取决于所在的参考系。狭义相对论修正了牛顿力学的局限性，牛顿力学是狭义相对论的一级近似。当然，因为我们日常生活中速度远远小于光速，用牛顿力学完全可以非常准确地描述。
爱因斯坦在提出狭义相对论之后，马上就意识到狭义相对论的局限性，它只是描述惯性参考系，但是物理定律对于加速的参考系应该也成立才对。爱因斯坦偶然间想到这么一个思想实验，如果在一个封闭的空间中做实验，发现物体做平抛运动，在地球引力作用下，我们非常熟悉这一结果。但是如果处在一个加速飞行的飞船上，飞船的加速度大小等于重力加速度，那么在飞船上抛出一个物体，它的运动轨迹也是完全相同的。所以说在一个封闭的空间内做任何的实验都无法区分是因为引力产生的加速度，还是因为这个参考系本身具有的加速度。