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2007-08-29 08:59:04
谢瑶环 | 最新回复 2018-02-16 16:24:42 282 140
狭义相对论的创立 

  早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?
  与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质。其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了19世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展。当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象...

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狭义相对论的创立 

  早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?
  与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质。其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了19世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展。当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波,从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太。
  但是,电动力学遇到了一个重大的问题,就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想,早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量,然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同,这就出现了一个问题:适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如,有两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论,这两种光的速度相同,汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论,这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速,即前车的光速=光速+车速;而驶离车的光速较慢,因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢?
  19世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说:“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了。”
  爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到:以及绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?
  爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。
  1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。
  什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何没出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。
  光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速不是无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。
  相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。
  爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。
  狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。
广义相对论的建立
  1905年,爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后,并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章,认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推动,相对论很快成为人们研究和讨论的课题,爱因斯坦也受到了学术界的注意。
  1907年,爱因斯坦听从友人的建议,提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位,但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气,但在瑞士,他却得不到一个大学的教职,许多有名望的人开始为他鸣不平,1908年,爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位,并在第二年当上了副教授。1912年,爱因斯坦当上了教授,1913年,应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。
  在此期间,爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广,对于他来说,有两个问题使他不安。第一个是引力问题,狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的,但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的,两个物体之间的引力作用在瞬间传递,即以无穷大的速度传递,这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题,狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生了佯谬,该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程,这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时,爱因斯坦正在接受完成广义相对论。
  
  1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》,在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理,此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法:在一封闭箱中的观察者,不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中,这是解释等效原理最常用的说法,而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。
  广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体。到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究。

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    相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)创立,分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论和广义相对论的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年,广义相对论提出于1915年。   由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难,即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。因此,在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。   狭义相对论最著名的推论是质能公式,它可以用来计算核反应过程中所释放的能量,并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞,也相继被天文观测所证实。

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  • 广义相对论

    我狂喜欢爱因老头,你也一样吗?

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  • 什么是“相对论"

    什么是狭义相对论 杨升山 今年被称为爱因斯坦年,形成学习狭义相对论的热潮,我有幸得到北京广播学院(现名中国传媒大学)的唐志询教授的书。书名为:<超光速研究的理论与实验>,对狭义相对论的分析比较系统,对超光速的研究也很投入。 狭义相对论是A。爱因斯坦创立的理论,主要内容是依据两个公设与一个变换。 一个变换是洛仑兹变换(不同惯性系之间的变换必须是loretz变换)。 两个公设是:相对性原理(就是:物理定律在一切惯性系中都相同。)与光速不变原理(就是:光在真空中总有确定速度,与观察者或光源的运动无关)。 从而有四个推论(运动的尺变短;运动的钟变慢;光子的静质量为零;物质不可能超过光速)和三个关系式(速度合成公式;质量速度公式;质能关系式)。 我认为,狭义相对论并不是科学理论,请看下面的问题: 同类的问题为什么不能用同样的解释法? 例一:乌鲁木齐市有一肾外伤病人,已经出现尿中毒症状,急需透析或换肾,否则最多再活12小时,经上网查询,坐火车从乌鲁木齐到上海最快也要47小时,他乘火车肯定会死在半路上,请求空军部队支援后,他的病得到及时救治。对于他来说,,可以说空军部队把乌鲁木齐与上海的距离拉近了;也可以说,空军部队延长了他的寿命。但要人们都说飞机比火车快。 例二:离地表20公里的高空产生的μ介子,固有寿命仅2。2微秒,即使它依光速运动,最多也只能走660米,事实上它能跑到地面上,狭义相对论解释说,它把自己的寿命延长了,或者说它把这段距离缩短了,人们为什么不能说它的速度比光速快? 对于病人,至于抢救后的生命延续,我并没有考虑在内,我只考虑从乌鲁木齐市到上海这段行程。他们都有有限的寿命,都行走了一段距离,都可以用两种速度计算,为什么不是同类问题?我想问一问,狭义相对论是不是错了? 例三:物理学教科书上说的粒子循环加速器,只有把加速时间提前才能把粒子加速。明明是粒子速度加快后使时间缩短,确硬要说(速度只有少须改变,而是粒子的相对论特性。) 狭义相对论把超过光速的运动物体都说成是速度不超过光速,就像把飞机的速度说成是没有火车快一样,同样能解释许多问题,可是这些解释都是似是而非的。狭义相对论说的(时延与尺缩)效应,都只有运动物体自己感觉到,对周围环境没有影响就是证明。再说空间与量杆是同时缩短的,量度的数据也不变呀!高空中的μ介子从20公里外能跑到地面,只用。2。2微秒时间这个事实,说明它就是超光速运动物体。 现代,对于基本粒子的研究,大多采用“速度选择仪”测定速度,测量高能粒子的速度选择仪从未测到过超光速粒子,我认为是仪器测量发生了误差,,只要把“速度选择仪”测得的速度 代 入 求出真实速度 ,所谓质量变化,长度变化,时间变化都不存在了。经典力学就可应用了。 这样,空间、时间、质量都保持恒定,经典力学就可以应用了。 如果硬要说超光速运动的物体的运动速度低于光速,那和硬说飞机的速度没有火车快有什么两样? 如科普著作《物理世界奇遇记》中说:“究竟是我们骑得快,还是街道变得短,这又有什么不同吗?我需要跑过十个交叉路口才能到达邮局,如果蹬得快一点,街道也就会变得短一些,而我们也就到得早一些。瞧,我们事实上已经到了。”实际上,这种说法就是要求能够解释过去就行了,至于是不是科学的解释,那是用不着去关心的。在自然科学的新发现冲击物理学经典理论的浪涛中,许多科学家满足于能够解释自然现象,“狭义相对论”的产生正好迎合了这种思潮。

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  • 什么是“相对论”?

    波动说的疑难 麦克斯韦的理论统一了电和磁,看似简化了物理学,实则使问题更为复杂,因为它 使伽利略和牛顿的宇宙图像孩起祸端、通过对电磁场的仔细的理论和实验研究,立即提 出了两个简单的问题,这两个问题最终导致了20世纪的两大理论物理成果;鼻子力学和 相对论。 第一个问题是,辐射的本质究竟是什么?麦克斯韦的理论把电磁辐射纯粹作为波来 处理,但是辐射可转移能量和动量的能力强烈地显示出其粒子性。到19世纪末,已有一 系列实验提供了辐射的不连续性的证据。 在两个世纪之交,马克斯·普朗克(Max Planck)提出了一个假设,即电磁波(尤 其是光)只能以一种能量包,即所谓量子的形式被发射或吸收。然而直到1905年,爱因 斯坦才首先把光量子看作真实的存在,现在称为光子。为解释光电效应,也就是金属板 被足够高频率的光照射时发出电子的现象,爱因斯坦假定辐射足由其能量与频率成正比 的真实粒子组成,这些粒子把能量传给金属中的电子,从而使电子射出。爱因斯坦复活 了牛顿的光的微粒论,这个理论曾被拉普拉斯用来推测巨大的暗星球对光的捕获。力学 与电磁学之间的明显对立直至对年后,即量子力学指出所有物质和辐射都具有波粒二象 性时,才得以消除。 第二个问题是,电磁波在什么媒质中传播?正是这个问题导致了对时空结构的探索, 从而产生了相对论。   运动与静止 相对论,这一在20世纪物理学里居于中心地位的辉煌成就,其思想并非由爱因斯坦 首创。相对性原理作为物理定律的基础已有3个世纪之久,这通常归功于伽利略,而实 际上给出正确表述的是笛卡儿。 在对自然界的研究中运用相对性原理,意味着可以合理地期望对物理现象的表述不 依赖于观测者的位置和运动。如果各个观测者得到的物理定律具有同样形式,他们所取 的参考系就是等价的。 伽利略已经注意到这样两个人所作的观测的等价性:一个在一条停靠港口即相对于 陆地静止的船里,另一个在一条沿直线匀速驶离港口的船里,每人都从舱里1米高处释 放一只球,则两球都竖直下落,经历的时间都是045秒。 伽利略知道,由于地球是圆的,驶离港口的船在作圆周运动。受圆形为完美的古老 思想影响,他因此断定圆周运动是物体的自然状态,与静止不可区分。笛卡儿也认识到, 均匀手动,即无限直线上的匀速运动,与静止不可区分。现代人都有这样的体验,坐在 停着的火车里看旁边一列开动的火车,会觉得自己的车在朝相反方向开动。 这些现象都很简单,然而包含着深刻意义,因为它们表明静止与匀速运动之间并无 差别。静止是一种惯性状态,与之等价的匀速运动就也是惯性态。 惯性原理可以表述如下:一个自由物体,即不受任何力的物体,以恒定速度运动。 地球本身几乎是一个理想的惯性参考系,因为对于通常实验室里时间不长的实验来 说,地球绕太阳的转动可以近似看作以30公里/秒的恒定速度沿直线运动。考虑到地球 的自转,可以通过选定指向遥远恒星的方向来建立地球惯性系。   射手与火车 惯性原理给予匀速运动的参考系以优越地位,这些参考系中的自然规律表现为“静 止”的形式。伽利略相对论,以及后来爱因斯坦的狭义相对论,都建立在所有惯性系 (包括静止参考系和匀速运动参考系)是等价的这个基础上。 但是,仅仅确定惯性系的这种性质是不够的。有了一个惯性系中对某一自然现象的 描述,物理学家还必须能在任何别的惯性系中也作出描述,他们需要的是从一个惯性系 转换到另一个的具体方式。正是在这个关键点上区分了伽利略相对论和狭义相对论。 爱因斯坦喜爱的表述这些抽象概念的方式是拿一列以V二108公里/小时(对米/秒) 的恒定速度奔驰的火车作例子。现在有两个惯性系,静止的铁轨和相对于铁轨作匀速运 动的火车。设想有一个坐在车厢顶上的人朝火车前进方向射出一颗子弹,子弹相对于人 的速度是V’2800米/秒。 运用伽利略变换公式从火车惯性系转换到铁轨惯性系,铁轨上的观测者测得的子弹 速度是I’+t=830米/秒。如果这个人再朝相反方向打一枪,则从铁轨上测量的子弹 速度是v’-v二770米/秒。与人们的常识一致,伽利略变换公式可以归结为简单的速 度矢量合成。   以太 以太,这个经典力学的不幸产儿……                     ——马克斯·普朗克 如果所有恒速运动的参考系都与静止参考系等价,设想一个固定在欧几里德几何的 绝对空间里的参考系是很有吸引力的。对伽利略来说,这个绝对空间缚在太阳上,因为 太阳是宇宙的中心。牛顿则认为,绝对空间是以太,是亚里士多德的(气、水、火、土 以外的)第五要素,是一种弥漫于物体之间所有空隙的完全刚性的物质。 电磁理论的建立似乎支持了关于以太的思想。很难想象一个波能够没有媒质而传播: 声波要有空气,水波要有水。光作为电场和磁场的一种振荡,也就必然需要一种振动的 媒质使之得以传播,于是可以把以太定义为电磁波传播的媒质。 再来看火车上的射手。这回他用一支光枪,射出速度为30公里/秒的光弹。按照伽 利略变换公式,铁轨上的观测者测得的光速应分别是C+C一月皿皿.奶公里/秒(朝火 车前进方向发射时)和C-C=29999997公里/秒(朝相反方向发射时)。迈克尔逊 (Michelson)和莫雷(Morle力的实验,以地球来代替火车,以以太来代替铁轨,证明 了以上的推算是错误的。   判决性实验 这些著名的实验是阿尔伯特·迈克尔逊(AlbertMichelson)和爱德华·莫雷 (Edward Money)在1881到1894年之间做的。他们本来的意图是确定地球相对于以太的 绝对速度,为此制作了一台非常灵敏的干涉仪,用来测量沿地球运动方向和垂直方向上 的两束光之间的差异。他们预期能由此将地球的绝对运动测定到每秒几千公里的精确度。 迈克尔逊噗雷实验的原理可以用两条船的竞赛米比喻。两船的速度都是C,河水以 恒定速度C流动(图司。A船沿与水流平行的路线行驶一个来回,B船则由河的此岸驶到 彼岸,然后返回。每条船行驶的距离都是河宽的二倍。按照毕达哥拉斯定理,B船将获 胜。 在迈克尔逊噗雷实验里,c是光速,v是以太相对于地球的速度,但是比赛结果却不 同:两条“光子船”总是准确地同时到达。要弄懂这个结果,要么得设想地球是完全静 止在以太中,要么以太根本就不存在。 事后看来,如果我们严格遵照电磁理论,迈克尔逊和莫雷的结果并不奇怪。麦克斯 韦理论是与伽利略的相对性原理明显矛盾的,因为其中的光速是不变的,完全与参考系 无关。无论光弹沿什么方向,铁轨上的观测者测得的光弹速度既不是3 0.03公里9 秒也不是299999.97公里/秒,而精确地是3 0公里/秒。光速在任何方向上、在任 何参考系里都是完全一样的。 伽利略相对论曾被认为是对惯性系中自然定律普适性的表述,而支配电磁现象的麦 克斯韦方程公然与之对抗。伽利略一牛顿的时空概念与电磁理论是不相容的,其中一个 必须被抛弃。   狭义相对论 当爱因斯坦在1905年意识到这个矛盾时,他立即认定电磁理论是正确的,并作为一 条基本原理提出:真空中的光速是绝对不变的,是信号传播的最高速度。与这条原理不 相容的伽利略相对论不得不让位于一个新的相对论,后来被称为狭义相对论(广义相对 论的建立是在十年以后)。 伽利略相对论中从一个惯性系到另一个惯性系的变换公式也就必须代之以狭义相对 论的公式(在广义相对论里惯性系的实质将被改变),这就是罗伦兹(Lorentz)变换。 这种变换使麦克斯韦方程保持不变,光速也成为绝对常量。 对火车射手实验,伽利略的速度和公式v—v+v’被换成一个稍微复杂一些的、保 证光速不变的公式。如果C二C’ZC,由新的公式将得出O仍等于C。这个结果似乎与读者 的常识相违背,难道铁轨上的观测者不正是如伽利略变换得出的那样,测量到830米/ 秒和770米/秒吗?然而,实际上这里并无矛盾,因为只有对极高速度(远高于地球上 常见的物体运动速度)的情况,罗伦兹变换才与伽利略变换有显著的差别。即使是对地 球绕口公转运动(速度高达对公里/秒),罗伦兹变换公式带来的修正也只有万分之一。   理论的诞生 在本世纪的开端,相当多的物理学家都意识到了迈克尔逊一莫雷实验给物理学带来 的危机,强调这一点无损于爱因斯坦的功绩。有些学者,例如亨德里克·罗伦兹 (Hendrik LorentZ)和亨利·彭加勒(Henri Poincar6),对这场危机的洞察尤为深 刻。罗伦兹首先提出(1904年)时间和长度都随参考系速度的变化而变化。1905年,彭 加勒在他的论文“论电子的动力学”中引入了一个数学式,后来由赫曼·明可夫斯基 (HermannMinkowski)于1908年发展完善,其中把时间作为第四个维度。新的相对论的 确已如躁动在母腹中的婴儿。 彭加勒的论文发表后一个月,爱因斯坦的“论运动物体的电动力学”在德国的《物 理学杂志》(Annalen der Physik)上发表。当时在伯尔尼专刮局供职的爱因斯坦看来 并不知道他的前辈们的工作。狭义相对论之终于诞生,是因为爱因斯坦并不满足于只推 导公式,他构造出了一个由光编织成的新时空。   光使时空联姻 我向你们阐述的时间和空间的观念是建立在实验物理基础上的,是实质性的,是牢 固可靠的。从现在起,绝对的空间和绝对的时间都不复存在,只有二者的某种结合才有 意义。                     ——曼·明可夫斯基( 1908) 在伽利略和牛顿的宇宙里,时间和空间是相互完拳种方的。空间有三个维度,就是 说,需要有三个坐标来确定空间中的一个点c空间是由欧几里德几何来量度的(几何一 词的原义是“大地测量”)。两点之间的最短路线是连接它们的直线,两条平行线只在 无穷远处相交,三角形的内角和是180等等。这些定律在学校里被讲授着,因为它们在 日常生活中高度精确地成立,两点之间的空间距离总是与测量者无关。 时间只由一个数来量度。与空间维度不同的是,它总是只朝一个方向流驶,从“过 去”流向“未来”。由观察上和情理上都可确认,一个事件的原因总是在其结果之前, 这种不可逆转的次序称为因果律。 时间与空间一样,对所有观测者都是相同的。既然速度没有上限,所有的钟,无论 它们之间的空间距离有多远,都能被即时地调为同步,并继续保持指示出一致的时间。 因此,伽利略一牛顿时空的因果结构就归结为,一个在空间同时地延展的现在时间,把 过去和将来分离开来。 把时间和空间作为独立实体的观念遭到与牛顿同时代的数学家和哲学家威尔赫姆’ 莱布尼兹(WilhelmLeibniz)的强烈反对。他以哲学论据坚持时间和空间只能是联系于 物质而存在。两个世纪后,爱因斯坦的相对论证实了莱布尼兹的观点,时间间限和空间 距离都不再是固定的量,它们依赖于观测者与被观测物体之间的相对速度。伽利略一牛 顿的绝对时空结构让位于一种新的四维结构,即明可夫斯基时空。 时空中的一个点是一个事件,由三个空间坐标和一个时间坐标来确定。两个事件间 的间隔是不变量(即不依赖于参考系),但现在是时间间隔和空间间隔的结合,每一个 都不再单独守恒。 本书将频繁使用的一种能清晰地表述时空结构的方式是光锥。想象空间中的一个点 和一条由该点发射的光线,在一个没有任何物质的空间,光波的波前是一个以发射点为 中心的圆球,这个球以光速随时间膨胀(图阿。仍略去空间的一维,光波就能由该图表 示。随时间膨胀的光球在图中成为一个圆锥,其顶点是光所发出的位置和时刻(即一个 事件),光锥描述光线发出后的经历。 图5是另一幅时空图,显示几个事件的光锥。对某一给定事件E光推由两片组成,一 片属于过去,一片属于将来。所有由E发出的光线和过去发射并经过E点的光线都进入E 的将来锥。 狭义相对论的基本出发点是任何粒子都不可能运动得比光更快,光速是一个绝对恒 星。这就是说,l秒钟内任何粒子走过的距离不可能大于3 0公里,而光则精确地走 过这个距离。在时空图上是这样来显示的,所有粒子的世界线(用以称呼时空轨迹的名 词)都位于光锥内部,而作为极限的光子(光的粒子)世界线则严格地座落在光锥面上, 因为光锥正是由光线来规定的。 在明可夫斯基时空里,光速是信号传递的极限速度,这使得其因果结构与牛顿时空 的大不相同。对某一事件E光锥把所有的时空事件分成两种:能够被来自E的电磁信号所 影响的事件(光锥内部)和不可能被影响的事件(光锥外部,或称“外界”)。狭义相 对论禁止任何一条世界线从光锥内穿到外界,也禁止反向穿越(这并不排除完全处于外 界区的世界线。有人假设了一种在外界区以超光速运动的粒子,称为“快于”,但是关 于这种粒子的理论有许多棘手的问题,在实验室里也从来没有探测到其存在)。 总之,光线的轨迹使我们能够构造出一个时空连续体的框架。狭义相对论中没有引 力,所有的光锥都是相互平行的,因此,明可夫斯基的时空连续体是刚性的,或者说是 平直的。伽利略和牛顿的时空分离的观念被统一的时空观念代替了。   时间游戏 爱因斯坦相对论给因果律加进了时间弹性,一个观测者随身携带的钟测量的时间称 为原时,与相对观测者运动的钟所测量的时间是不同的。尽管这种差别只是在速度接近 于光速时才变得显著,这个新的时间律还是带来了令人惊讶的后果。 著名的双生子佯谬已被谈得很多了。年龄为20岁的双生于,其中一个去作探索宇宙 的旅行,他以297000公里/秒的恒定速度(光速的99%)飞到一个20光年之遥的行星上, 并立即返回。他携带的钟表明自己出门在外6年,但留在地球上的那一个却说已过去了 4o 年。他们二人所经历的时间确实是不同的,生物钟也像原子钟一样会受影响。两兄 弟的年龄也可以用他们心跳的次数来测量,宇航员回来时确实只有26岁,而他的同胞兄 弟已是60岁。 这个惊人的结果由法国物理学家泡尔·郎之万(PaulLangevin)于1911年作了解释: 在所有连结两个事件(在双生子故事中是飞船从地球出发和回到地球)的世界线中,没 有加速度的那一条所耗的时间最长(图6)。宇航员在其航程中必须加速和减速,这两 种情况的效果并不相抵消,他的原时因而总是比他的兄弟短得多(年龄的差别并不仅仅 取决于旅行者的加速度,而且还有赖于航行的总持续时间,这里单讲加速度只是为将宇 航员时间与地球时间作比较)。虽然看似荒唐,双生子的幻想故事并不意味着爱因斯坦 相对论的任何内在矛盾,而是表明了时间弹性的必然后果。 虽然相对论不允许我们运动得比光速更快,但它并非阻碍了而是促进了对深层空间 的探索。将上面的双生子故事(其中假定瞬时加速)变一下,现在假定飞船有一个恒定 的加速度(相对于它的瞬时惯性参考系),其大小等于地球表面上的引力加速度,这对 宇航员来说要舒服得多。飞船的速度将迅速增大到接近于光速,而不能达到光速,飞船 上的时间将过得比地球上没得多。按照它自己的钟,飞船将用2.5年时间飞到最邻近的 恒星(比邻星),它与地球相距4光年;经过大约45年,飞船就飞出了40光年;经过10 年就到了银河系中心,而地球上将是过了15000年;在25年里(短于宇航员的年龄), 飞船将能在整个可观测的宇宙中邀游一周,行程是300亿光年!但这时的飞船最好不要 再返回地球,因为太阳早已将行星都烧成灰烬,自己也早已熄火。 可是,这个异想天开的航行是实现不了的,因为需要有巨大的能量来维持飞船的加 速。最好的方法似乎是把飞船自身的物质转化为前进的能量,但即使转换效率为百分之 百,飞船在到达银河系中心时所剩的质量已只有出发时的十亿分之一,一座大山缩成了 一只老鼠。   相对论炸弹 我要是早知道,就会去做个造钟表的工匠。                    ——阿尔伯特·爱因斯坦 狭义相对论是得到最好验证的物理理论之一。弹性时间的奇异现象已由实验证实, 不过不是在人体上(那太痫苦了),而是用基本粒子,把它们加速到接近光速所需的能 量不难提供。高精度原子钟也被放到了飞船里,返回地面时它所显示的时间的确比地球 上的钟要短(如果有人愿意在一架以1000公里/小时的速度飞行的飞机里坐上60年,与 地面上的人相比他只能赚到千分之一秒的时间)。当然,惯性系之间的变换公式、四维 时空结构以及时间弹性等,都是比较抽象的概念。狭义相对论之所以著名,是由于它所 揭示的质量与能量的等价性,即E=me’这个简单公式。 1905年,还猜不出狭义相对论有什么实际应用,但它在哲学上的冲击作用是立即显 示出来了。维持了数千年的信念被证明并不适合于真实世界。有些哲学家如本格森 (Bergron)拒绝改变自己对世界的观念,而把爱因斯坦理论看作一种纯粹抽象的东西。 对狭义相对论可靠性的怀疑要以广岛被原子弹毁灭为代价来消除,这真是一种可悲的讽 刺。 狭义相对论支配着所有涉及高速度、高能量的现象。宇宙线流撞击高层大气会产生 介子(一种基本粒子)簇射,这些介子的飞行时间(由地球上看)是它们寿命的50倍。 更重要的是,狭义相对论使我们得以理解为什么太阳能发光,那是因为它那里每秒钟有 400万吨物质被转化成能量辐射出来。 我们在这里清楚地看到了狭义相对论与天体物理之间的联系。但是,作为本书主题 的黑洞与狭义相对论毫不相干。黑洞是引力的产物,而狭义相对论的时空连续体所描述 的是一个理想化的真空,在其中运动的只有电磁波和重量小得可以忽略的粒子。在真实 的恒星、星系和黑洞的宇宙里,所有物体都受到引力。为了对此有所理解,我们必须继 续“破坏”时空,而这一次的斗士就是广义相对论。

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  • 什么是狭义相对论,什么又是广义相对论

    狭义相对论的创立   早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度运动,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?   与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质。其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了19世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展。当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波,从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太。   但是,电动力学遇到了一个重大的问题,就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想,早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量,然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同,这就出现了一个问题:适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如,有两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论,这两种光的速度相同,汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论,这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速,即前车的光速=光速+车速;而驶离车的光速较慢,因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢?   19世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说:“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了。”   爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到:以及绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?   爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。   1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。   什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何没出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。   光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速不是无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。   相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。   爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。   狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。 广义相对论的建立   1905年,爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后,并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章,认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推动,相对论很快成为人们研究和讨论的课题,爱因斯坦也受到了学术界的注意。   1907年,爱因斯坦听从友人的建议,提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位,但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气,但在瑞士,他却得不到一个大学的教职,许多有名望的人开始为他鸣不平,1908年,爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位,并在第二年当上了副教授。1912年,爱因斯坦当上了教授,1913年,应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。   在此期间,爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广,对于他来说,有两个问题使他不安。第一个是引力问题,狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的,但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的,两个物体之间的引力作用在瞬间传递,即以无穷大的速度传递,这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题,狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生了佯谬,该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程,这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时,爱因斯坦正在接受完成广义相对论。      1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》,在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理,此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法:在一封闭箱中的观察者,不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中,这是解释等效原理最常用的说法,而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。   广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体。到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究。

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  • 什么是相对论?

    相对论分狭义相对论和广义相对论。 本科时学过的,现在就引用当时的话来概括一下内容。 狭义相对论:所有物理规律对于一切惯性参照系都具有相同的表现形式。 广义相对论:所有物理规律对于一切参照系(包括非惯性参照系)都具有相同的表现形式。 狭义相对论的两条公设: a),光速不变原理:光速在一切惯性参照系中保持不变; b),相对性原理:对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的; 狭义相对论的所有定理、推论以及一切理论都是在这两个简化得不能再简化的公设的基础上推导出来的。 广义相对论扩大了狭义相对论的考察范围,把参照系从惯性参照系发展到非惯性参照系。其中,用到了一个很核心的公设,那就是等效原理。等效原理的大意是这样的:由引力场造成的参照系与加速度的运动造成的参照系是等效的。从这个原理出发可直接推导出引力场附近的空间是“弯曲”的,它从根本上解决了一个难题,即光经过引力场时表现出了“弯曲”的现象。然而光线总是走直线的,不会弯曲的,真正弯曲的是空间,因为空间弯曲了,所以光线经过引力场时表现出弯曲,实际上,光仍然走直线,不会弯曲的。这也解决了水星今日点的进动剩余难题。 以上是本科学习时学到的,我只能记得这么多。如果还想了解更多,需要学习更专业的物理书籍。

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  • 简单介绍广义的相对论

    广义相对论(General Relativity&#8206;)是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论,统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律,将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空,以取代传统对于引力是一种力的看法。因此,狭义相对论和万有引力定律,都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。狭义相对论是在没有重力时的情况;而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。

    理工学科

  • 广义相对论和狭义相对论有什么区别?

    狭义相对论的基本原理: 1.在所有的惯性参考系中,光在真空中的速度相同。 2.一切物理学定律在所有的惯性参考系都成立。 广义相对论的观点: 1.把狭义相对论的原来由惯性参考系扩散到了非惯性参考系,非惯性参考系只是在惯性参考系的基础上受到了惯性力。 2.认为不存在万有引力,质量大的物体会相互吸引,是由于大质量的物体使它周围的时空发生扭曲。

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  • 怎样理解广义相对论公式

    这是广义相对论的基本方程:场方程,而且这是一个非线性的偏微分方程.其意义主要是“物质运动与时空结构的关系.”要想透彻的理解是需要很多比较高深的数学知识的(黎曼空间几何、张量分析、偏微分方程等).

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  • 怎样理解广义相对论公式

    这是引力场方程式.想理解他需要高深的数学知识,一般情况下要到研究生级别才会学到.

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  • 广义相对论指的是什么呢?

    广义相对论预测质量产生的重力场将造成扭曲的时空结构,并且在大质量(例如:黑洞)附近的时钟之时间流逝比在距离大质量较远的地方的时钟之时间流逝要慢

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  • 广义相对论的时空观是什么?

    广义相对论:对于空间的定义是一个能量涨落的海洋,而时间只是这种涨落的矢量方向 也就是说时间万物有两种基本属性,一个是尺度(也就是相对的大小比较),另外一个就是方向(矢)性质

    哲学

  • 广义相对论

    我狂喜欢爱因老头,你也一样吗?

    物理学

  • 什么是广义相对论

    还是一样,自己去看吧 还有这里

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  • 什么是狭义相对论,什么又是广义相对论

    狭义相对论的创立   早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度运动,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?   与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质。其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了19世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展。当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波,从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太。   但是,电动力学遇到了一个重大的问题,就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想,早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量,然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同,这就出现了一个问题:适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如,有两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论,这两种光的速度相同,汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论,这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速,即前车的光速=光速+车速;而驶离车的光速较慢,因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢?   19世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说:“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了。”   爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到:以及绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?   爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。   1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。   什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何没出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。   光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速不是无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。   相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。   爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。   狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。 广义相对论的建立   1905年,爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后,并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章,认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推动,相对论很快成为人们研究和讨论的课题,爱因斯坦也受到了学术界的注意。   1907年,爱因斯坦听从友人的建议,提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位,但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气,但在瑞士,他却得不到一个大学的教职,许多有名望的人开始为他鸣不平,1908年,爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位,并在第二年当上了副教授。1912年,爱因斯坦当上了教授,1913年,应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。   在此期间,爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广,对于他来说,有两个问题使他不安。第一个是引力问题,狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的,但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的,两个物体之间的引力作用在瞬间传递,即以无穷大的速度传递,这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题,狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生了佯谬,该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程,这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时,爱因斯坦正在接受完成广义相对论。      1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》,在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理,此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法:在一封闭箱中的观察者,不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中,这是解释等效原理最常用的说法,而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。   广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体。到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究。

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  • 什么是相对论?

    相对论分狭义相对论和广义相对论。 本科时学过的,现在就引用当时的话来概括一下内容。 狭义相对论:所有物理规律对于一切惯性参照系都具有相同的表现形式。 广义相对论:所有物理规律对于一切参照系(包括非惯性参照系)都具有相同的表现形式。 狭义相对论的两条公设: a),光速不变原理:光速在一切惯性参照系中保持不变; b),相对性原理:对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的; 狭义相对论的所有定理、推论以及一切理论都是在这两个简化得不能再简化的公设的基础上推导出来的。 广义相对论扩大了狭义相对论的考察范围,把参照系从惯性参照系发展到非惯性参照系。其中,用到了一个很核心的公设,那就是等效原理。等效原理的大意是这样的:由引力场造成的参照系与加速度的运动造成的参照系是等效的。从这个原理出发可直接推导出引力场附近的空间是“弯曲”的,它从根本上解决了一个难题,即光经过引力场时表现出了“弯曲”的现象。然而光线总是走直线的,不会弯曲的,真正弯曲的是空间,因为空间弯曲了,所以光线经过引力场时表现出弯曲,实际上,光仍然走直线,不会弯曲的。这也解决了水星今日点的进动剩余难题。 以上是本科学习时学到的,我只能记得这么多。如果还想了解更多,需要学习更专业的物理书籍。

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  • 《相对论》粗略阅读后的总结

    楼主好,本人是艾泽拉斯学校高3,1班的职业玩家,看到楼主能吧相对论总结的那么精辟,实在为楼主感到欣慰。楼上对楼主的批评,楼主大可不必在意。本职业玩家最讨厌像这种反装B模范,心胸狭窄,见不得别人比自己优秀。 但是楼主总结的实在太过深奥,在下实在没看明白。 所以,本职业玩家准备写一份通俗版的相对论浅谈供楼主参考: 我们校长萨尔曾经说过,错误的假设会得到错误的结论,近似的假设可以得出近似的结论,正确的假设可以得到正确的结论。 牛顿的经典力学是建立在时间不随参考系而改变的假设上,这是一个近似的假设,相对参考系速度越低,近似程度越高,故平时日常生活中用不着相对论。 但是对于高速运动的物体,科学家们发现按牛顿经典力学解释不通了,所以产生了狭义相对论。 狭义相对论是建立在任何惯性系中光速都是不变的假设上的,这个假设是正确的。(楼主可以类比多普勒效应来思考这个问题,尽管两个不是一码事)相对论效应实际上不难理解,它可以理解为由于光速不变性,使与以研究物体为参照系不同的参照系中的观察者产生了视觉错误,并不是真的由于物体的运动速度变快,物体的生物钟变慢了,物体变短了等等,而是由于你看错了。这样一想,狭义相对论是不是就变得简单多了呢?但科幻小说里时光倒流是不可实现的,因为把有质量的物体加速到光速,所需要的能量是无穷大的。另外,狭义相对论认为空间是有伸缩性的,至于楼主为何说空间是平的在下不甚理解。至于狭义相对论的那些公式,是建立在速度为v的参照系下坐标和静止的参照系下坐标关系的4个公式上的。这就是洛伦兹变换。楼主看的估计是大学教材,大学教材总爱把非常简单的问题说得非常复杂,比如说求无限长直带点导线的空间电场分布问题时,胡乱用向量,而且水平方向明明知道肯定等于零,还要再讨论一遍,希望楼主不要被那些大学教授的故弄玄虚给吓着了。 那4个公式是x'=(x-vt)/√(1-β^2). y'=y、z'=z t'=(t-xv/c^2)√(1-β^2)。用这4个公式可以很轻易的推导其他相对论公式,另外,再推导速度和加速度时,只要楼主会求导数,应该就没问题了,对于相对论动力学公式,楼主只要知道F是P的导数,(ma)的导数=m的导数a+a的导数m。另外建立一下无穷小的概念,运用数列求和就可以导出E=mc^2了,是不是很神奇呢。这四个公式是用待定系数的方法推导的,由于艾泽拉斯全国中学生物理大纲上只要求会用这4个公式推导相对论的其他结论和用相对论解决实际问题,没要求推导这四个公式,而且这四个公式推导起来也非常麻烦,故本职业玩家在此不做陈述。 广义相对论大纲中只要求了解,不用深入研究,本人就定性的分析一下吧. 广义相对论是建立在在任何非惯性系中光速也是不变的假设上的,至于对不对,我也不知道。假想你坐在一个自由下落的电梯里,一束光线穿过你的电梯,由于光速不变性,你看见的光仍然是沿直线传播的。但如果考虑到电梯的运动状态,还原到地面参考系,那你管侧到的光应该是弯曲的。(判断题:当物体的加速度与速度方向不一致时,物体将做什么运动)。所以光线经过引力场会弯曲。恕本职业玩家平日光顾著打魔兽了,不认真学习,对广义相对论的理解只有这么多了,至于什么是高斯参考系,本人实在不知。 打到这里我也累了,本人找了一道我们学校上学期的关于相对论的一道月考题考考楼主,希望对楼主的相对论学习有所帮助。 下面,我说一下楼主的不足: 楼主最后一句不对,狭义相对论不是广义相对论的极限。他们俩的关系如我前面所说,是建立在两个假设上的,广义相对论的假设范围更大些。另外,楼主的回答许多比较文科化,比较想当然,这不是理科生应该具有的素质。

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  • 广义相对论和狭义相对论有什么区别?

    狭义相对论的基本原理: 1.在所有的惯性参考系中,光在真空中的速度相同。 2.一切物理学定律在所有的惯性参考系都成立。 广义相对论的观点: 1.把狭义相对论的原来由惯性参考系扩散到了非惯性参考系,非惯性参考系只是在惯性参考系的基础上受到了惯性力。 2.认为不存在万有引力,质量大的物体会相互吸引,是由于大质量的物体使它周围的时空发生扭曲。

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  • 爱因斯坦狭义相对论

    接近光速会发生“钟慢”“尺缩”效应,时间会膨胀,流逝变慢,尺度会缩短。 相对时间公式:Δt=Δt0/√(1-v^2/c^2);相对长度公式:l=l0√(1-v^2/c^2)。这两个是根据洛仑兹变换推出的。洛仑兹变换的原始公式和推导参见《狭义与广义相对论浅说》。 以上两个公式中,Δt是运动参考系的单位时间,Δt0是静止参考系的单位时间,l是运动参考系的长度,l0是静止参考系的长度,v是运动速度,c是光速。

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    爱因斯坦早期的时空观

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  • 什么是狭义相对论

    狭义相对论是A.爱因斯坦创立的理论,主要内容是依据两个公设与一个变换.一个变换是洛仑兹变换(不同惯性系之间的变换必须是loretz变换),两个公设是:相对性原理(就是:物理定律在一切惯性系中都相同.)与光速不变原理(就是:光在真空中总有确定速度,与观察者或光源的运动无关).从而有四个推论(运动的尺变短;运动的钟变慢;光子的静质量为零;物质不可能超过光速)和三个关系式(速度合成公式;质量速度公式;质能关系式),以上抄自北京广播大学(现名中国传媒大学)的唐志询教授的书.书名为:<超光速研究的理论与实验> 我认为,狭义相对论并不是科学理论,请看下面的问题: 同类的问题为什么不能用同样的解释法? 例一:乌鲁木齐市有一肾外伤病人,已经出现尿中毒症状,急需透析或换肾,否则最多再活12小时,经上网查询,坐火车从乌鲁木齐到上海最快也要47小时,他乘火车肯定会死在半路上,请求空军部队支援后,他的病得到及时救治.对于他来说,,可以说空军部队把乌鲁木齐与上海的距离拉近了;也可以说,空军部队延长了他的生命,人们都说飞机比火车快. 例二:离地表20公里的高空产生的μ介子,固有寿命仅2.2微秒,即使它依光速运动,最多也只能走660米,事实上它能跑到地面上,狭义相对论解释说,它把自己的寿命延长了,或者说它把这段距离缩短了,人们为什么不能说它的速度比光速快? 对于病人,至于抢救后的生命延续,我并没有考虑在内,我只考虑从乌鲁木齐市到上海这段行程。他们都有有限的寿命,都行走了一段距离,都可以用两种速度计算,为什么不是同类问题?我想问一问,狭义相对论是不是错了? 狭义相对论把超过光速的运动物体都说成是速度不超过光速,就像把飞机的速度说成是没有火车快一样,同样能解释许多问题,可是这些解释都是似是而非的.狭义相对论说的(时延与尺缩)效应,都只有运动物体自己感觉到,对周围环境没有影响就是证明,高空中的μ介子从20公里外能跑到地面,只用.2.2微秒时间这个事实,说明它就是超光速运动物体. 现代,对于基本粒子的研究,大多采用“速度选择仪”测定速度,测量高能粒子的速度选择仪从未测到过超光速粒子,我认为是仪器测量发生了误差,(只要把“速度选择仪”测得的速度值V测代入V实=V测/[1-(V测/c)^2]^(1/2),求得V实,就可得到基本粒子的真实速度了。)在对高速运动粒子的测量中,往往使用“速度选择仪”测定速度,只要把“速度选择仪”测得的速度 代 入 = 求出真实速度 ,所谓质量变化,长度变化,时间变化都不存在了。经典力学就可应用了。 这样,空间、时间、质量都保持恒定,经典力学就可以应用了. 如果硬要说超光速运动的物体的运动速度低于光速,那和硬说飞机的速度没有火车快有什么两样?

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  • 什么是狭义相对论,什么又是广义相对论

    狭义相对论的创立   早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度运动,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?   与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质。其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了19世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展。当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波,从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太。   但是,电动力学遇到了一个重大的问题,就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想,早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量,然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同,这就出现了一个问题:适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如,有两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论,这两种光的速度相同,汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论,这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速,即前车的光速=光速+车速;而驶离车的光速较慢,因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢?   19世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说:“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了。”   爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到:以及绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?   爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。   1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。   什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何没出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。   光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速不是无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。   相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。   爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。   狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。 广义相对论的建立   1905年,爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后,并没有立即引起很大的反响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章,认为爱因斯坦的工作可以与哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推动,相对论很快成为人们研究和讨论的课题,爱因斯坦也受到了学术界的注意。   1907年,爱因斯坦听从友人的建议,提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外讲师职位,但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气,但在瑞士,他却得不到一个大学的教职,许多有名望的人开始为他鸣不平,1908年,爱因斯坦终于得到了编外讲师的职位,并在第二年当上了副教授。1912年,爱因斯坦当上了教授,1913年,应普朗克之邀担任新成立的威廉皇帝物理研究所所长和柏林大学教授。   在此期间,爱因斯坦在考虑将已经建立的相对论推广,对于他来说,有两个问题使他不安。第一个是引力问题,狭义相对论对于力学、热力学和电动力学的物理规律是正确的,但是它不能解释引力问题。牛顿的引力理论是超距的,两个物体之间的引力作用在瞬间传递,即以无穷大的速度传递,这与相对论依据的场的观点和极限的光速冲突。第二个是非惯性系问题,狭义相对论与以前的物理学规律一样,都只适用于惯性系。但事实上却很难找到真正的惯性系。从逻辑上说,一切自然规律不应该局限于惯性系,必须考虑非惯性系。狭义相对论很难解释所谓的双生了佯谬,该佯谬说的是,有一对孪生兄弟,哥在宇宙飞船上以接近光速的速度做宇宙航行,根据相对论效应,高速运动的时钟变慢,等哥哥回来,弟弟已经变得很老了,因为地球上已经经历了几十年。而按照相对性原理,飞船相对于地球高速运动,地球相对于飞船也高速运动,弟弟看哥哥变年轻了,哥哥看弟弟也应该年轻了。这个问题简直没法回答。实际上,狭义相对论只处理匀速直线运动,而哥哥要回来必须经过一个变速运动过程,这是相对论无法处理的。正在人们忙于理解相对狭义相对论时,爱因斯坦正在接受完成广义相对论。      1907年,爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》,在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理,此后,爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据,提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法:在一封闭箱中的观察者,不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中,还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中,这是解释等效原理最常用的说法,而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。   广义相对论建立了完善的引力理论,而引力理论主要涉及的是天体。到现在,相对论宇宙学进一步发展,而引力波物理、致密天体物理和黑洞物理这些属于相对论天体物理学的分支学科都有一定的进展,吸引了许多科学家进行研究。

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  • 谁能解释一下狭义相对论?

    回答者:bantoo(学者)  回答时间:2006-03-18 23:33:13 狭义相对论的创立   早在16岁时,爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波,他产生了一个想法,如果一个人以光的速度运动,他将看到一幅什么样的世界景象呢?他将看不到前进的光,只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗?   与此相联系,他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊,用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪,笛卡尔首次将它引入科学,作为传播光的媒质。其后,惠更斯进一步发展了以太学说,认为荷载光波的媒介物是以太,它应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同,牛顿提出了光的微粒说。牛顿认为,发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流,粒子流冲击视网膜就引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风,然而到了19世纪,却是波动说占了绝对优势,以太的学说也因此大大发展。当时的看法是,波的传播要依赖于媒质,因为光可以在真空中传播,传播光波的媒质是充满整个空间的以太,也叫光以太。与此同时,电磁学得到了蓬勃发展,经过麦克斯韦、赫兹等人的努力,形成了成熟的电磁现象的动力学理论——电动力学,并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来,认为光就是一定频率范围内的电磁波,从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体,也成了电磁场的载体。直到19世纪末,人们企图寻找以太,然而从未在实验中发现以太。   但是,电动力学遇到了一个重大的问题,就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。关于相对性原理的思想,早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入牛顿力学的框架,但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论,真空中电磁波的速度,也就是光的速度是一个恒量,然而按照牛顿力学的速度加法原理,不同惯性系的光速不同,这就出现了一个问题:适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学?例如,有两辆汽车,一辆向你驶近,一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近,后一辆车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论,这两种光的速度相同,汽车的速度在其中不起作用。但根据伽利略理论,这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速,即前车的光速=光速+车速;而驶离车的光速较慢,因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢?   19世纪理论物理学达到了巅峰状态,但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示出牛顿力学无比强大的理论威力,电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整,并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中,古典物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示要献身于理论物理学,老师劝他说:“年轻人,物理学是一门已经完成了的科学,不会再有多大的发展了,将一生献给这门学科,太可惜了。”   爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里,爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态,在许多问题上深入思考,并形成了自己独特的见解。在十年的探索过程中,爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论,特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的,但是有一个问题使他不安,这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现,所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究爱因斯坦发现,除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外,以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到:以及绝对参照系是必要的吗?电磁场一定要有荷载物吗?   爱因斯坦喜欢阅读哲学著作,并从哲学中吸收思想营养,他相信世界的统一性和逻辑的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明,但在电动力学中却无法成立,对于物理学这两个理论体系在逻辑上的不一致,爱因斯坦提出了怀疑。他认为,相对论原理应该普遍成立,因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式,但在这里出现了光速的问题。光速是不变的量还是可变的量,成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学家一般都相信以太,也就是相信存在着绝对参照系,这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。19世纪末,马赫在所著的《发展中的力学》中,批判了牛顿的绝对时空观,这给爱因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题,贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法,两人讨论了很久。突然,爱因斯坦领悟到了什么,回到家经过反复思考,终于想明白了问题。第二天,他又来到贝索家,说:谢谢你,我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事:时间没有绝对的定义,时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙,经过五个星期的努力工作,爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。   1905年6月30日,德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》,在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章,它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理:相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点,是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想,但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想,但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动,在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理,在他看来,根本不存在绝对静止的空间,同样不存在绝对同一的时间,所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系,都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系,运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律,它们的形式都是相同的,这就是相对性原理,严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中,爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据,他提出光速不变是一个大胆的假设,是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果,他从同时的相对性这一点作为突破口,建立了全新的时间和空间理论,并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。   什么是同时性的相对性?不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢?一般来说,我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度,但如何没出这一速度呢?我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间,空间距离的测量很简单,麻烦在于测量时间,我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟,从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢?答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好?如果按照先前的思路,它又需要一种新信号,这样无穷后退,异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的,同时性必与一种信号相联系,否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。   光信号可能是用来对时钟最合适的信号,但光速不是无限大,这样就产生一个新奇的结论,对于静止的观察者同时的两件事,对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车,它的速度接近光速。列车通过站台时,甲站在站台上,有两道闪电在甲眼前闪过,一道在火车前端,一道在后端,并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹,通过测量,甲与列车两端的间距相等,得出的结论是,甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说,收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离,并同时到达他所在位置,这两起事件必然在同一时间发生,它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙,情况则不同,因为乙与高速运行的列车一同运动,因此他会先截取向着他传播的前端信号,然后收到从后端传来的光信号。对乙来说,这两起事件是不同时的。也就是说,同时性不是绝对的,而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。   相对论认为,光速在所有惯性参考系中不变,它是物体运动的最大速度。由于相对论效应,运动物体的长度会变短,运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题,运动速度都是很低的(与光速相比),看不出相对论效应。   爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学,指出质量随着速度的增加而增加,当速度接近光速时,质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式:E=mc2,质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。   狭义相对论给出了物体在高速运动下的运动规律,并提示了质量与能量相当,给出了质能关系式。这两项成果对低速运动的宏观物体并不明显,但在研究微观粒子时却显示了极端的重要性。因为微观粒子的运动速度一般都比较快,有的接近甚至达到光速,所以粒子的物理学离不开相对论。质能关系式不仅为量子理论的建立和发展创造了必要的条件,而且为原子核物理学的发展和应用提供了根据。

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  • 什么是狭义相对论?

    狭义相对论是思维进入误区的结果 (节录) “狭义相对论”的力学大厦,建成已经100年了。许多人都认为是真理。我经过30多来年的努力搜寻,始终找不 到证明“狭义相对论”是真理的有力证据。张元仲教授的《狭义相对论实验基础》一书的所有证据,反使我认为狭义相对论是错误的。为什么测量光速的方法不能用来测量所谓介子和中微子?为什么在公式的推导中要丢弃另两个时间缩短和空间膨胀式子?为什么用狭义相对论不能解释光子?我把寻到的原因写成本文。 1. 数学算式 a:“狭义相对论”使用的基本变换方程式,因为有一个比例因子,变换只是单方向的。用逆变换得出的数值用到正变换中就不等,要想符合就必须使比例因子 β=1/ 。要想近似成立,也只有使V远远小于c,而“狭义相对论”被誉为高速运动物质的理论,应用此公式造成的误差就太大了。 b:洛仑兹变换式中,长度与时间的变化是相同的,(因为都是乘上一个比例因子 β= ), 不能舍弃其一。也就是说,时间膨胀时,长度也要膨胀。不象张元仲的《狭义相对论实验基础》一书中说的,“也可以等价地用‘时间膨胀’和‘长度收缩’公式。从原方程组可以看出,“时间膨胀”和“长度收缩”并不是从一组变换式中导出的,实际运算中,此变换式并不能正确变换。如果按书中的方法去推导,也可以推出“时间膨胀”和“长度收缩”这一结果来。 2.物理学 物理科学离不开测量,测量是为了进行比较。比较就需要比较基准。速度是 在长度单位和时间单位确定后的一个导出单位。光速也只是速度的一种,如果把这个数值定为基准而让长度或时间去改变来适应,那么这个数值就只能表示一个数值,也失去了原来表示光速的含义。 测量时,尺和钟都是由测量者提供的,并不需被测物体提供协助。尽管它们可以有不 同的固有寿命,也可以有不同的长度单位和时间单位,测量时也是不去关心的。大多数被测物体都是没有生命力的,它们没有也不可能对测量进行协作。 对测量结果的处理极端重要。在《狭义相对论实验基础》一书中,本来采用也了与测量光速时使用的方法,对π介子,反质子进行了测量,可是又不敢面对现实,也采用计算光速的方法,都却去搬用狭义相对论的动量公式,因而放弃了发现超光速运动物质的一次机会。实际上,此书中列举的π介子及μ介子的运动速度,都是超过光速的。 在对电量的测量中,经常出现因仪表精度造成的测量误差。在对高速运动粒子的测量中,往往使用“速度选择仪”测定速度,只要把“速度选择仪”测得的速度 代 入 = 求出真实速度 ,所谓质量变化,长度变化,时间变化都不存在了。经典力学就可应用了。 对于光的本性,狭义相对论是无法解释的。光的二像性,极可能是群体与个体之间的关系。光电效应是个体表现,反射、折射等波动性质是群体表现,光子的质量尽管很小,但也不等于零,这必将被证实。光又是我们认识物质的重要媒介,洛仑兹总结出的变换式中有光速的影子,也就是对光传递信息时造成误差没有认识造成的。光又有频率,波长等物理量,我们能见到光,仅是光中的很少一部分。从光电效应方面来看,我们所见到的颜色,极可能是某种能量等级的光子群,它们不但有质量的差别。也有速度的差别。这从光的多普勒效应中可以觉察。 从光的衍射现象来看,光在被反射后,也可能相当于新的光源的反射。如果是这样,迈克耳逊与莫雷的光的干涉实验的结果,就容易解释了。 我们借助于光才能认识自然界,要研究它却遇到了不少困难。我们必将克服这些困难。从类比的方面考虑,用声纳去测量超音速飞机与用雷达去测量π介子、μ介子,效果应该是相同的___它们都会造成很大的测量误差。 现在的高能粒子加速器中产生的高能粒子,有许多都是超光速的粒子。它们在静电场中受力情况,极可能与电荷受力情况有关。只要把速度选择器测出的速度 变换成 ,许多问题都迎刃而解了。 经典力学研究的大都是两物之间的关系。在放射性发现以后,我们需要研究三者或三者以上物体之间的关系。这样的表述方程就要复杂的多了。有时我们把光速的改变看成频率或波长的改变,也影响了我们的思维。对于物质运动的速度,不同的参照系在不同的测量数值。如果仅依两者之言,往往把观察者看成静止,而把对方看成运动。这样才能使用速度的合成与分解公式,由此推论,光速的数值绝对不是恒值。 3。哲学 A. 认识论 世界是物质的世界。理论是物质世界物质运动的语言表述。在原有的理论不能解释新的发现时,允许对旧的理论进行改造或创立新的理论。但对这样新发现的解释应该是唯一的,至少不应该是互相矛盾的。鞋子夹了脚,改制鞋子是个好办法。但给一个高弹性的鞋子,使无论什么样脚都能适用,这样的鞋子还是不会耐用的。 用“狭义相对论”的“长度收缩”效应时,使用了运动学形状和几何学形状两种概念,说改变的只是运动学形状,实物并没有改变,这里的运动学形状是不可测度的。因为运动是相对的,被观测者与观测者可以转化,观测者本身没变化被观测者也就不可能变化,这种理论与实际的不符合,证明了狭义相对论不是真理。 B.时空观 宇宙中一切物体共处于一个共同的空间中,不象狭义相对论表述的各物均有自己的空间,物体运动改变的只是物体自己的空间而不影响其他物质的空间,变化的只是运动的方向而不影响其他方向。 空间也只是物体形体的线度测量,时间也只是物质变化速度的比较基准,是与周期信号比较后的周期记数。长度和时间的单位尽管千差万别,比较物质变化的原则不应改变。这是两个不同的比较基准,混淆甚至使它们等效是不对的。 我们为了交流。还是要用统一的时间和空间基准。这些基准大都经过行政的法律干预。我国秦朝建国以后,第一个就是统一度量衡就是证据。 测量光速使用的方法不能用来测量其它粒子,这就很不合理。不信大家可以把光速代入“时间膨胀”或“空间缩短”式子试一试。这也是爱因斯坦的困扰,他用加减宇宙项来解决过&#8226;但没有成功。 再说,时间变慢了,计时的时钟也要变慢,计量结果不应改变呀! 长度缩短了,计量用的尺子也要缩短,计量结果也不应变呀! 我们测量物体运动时,并不能与被测量的物体交流,因为大多数被策物体都是没有生命的,它们没有也不可能对我们的测量进行协助,我们为什么要用我们手中的尺,却要用被测物体的钟? 或者说:我们为什么要用我们手中的钟,却要用被测物体的尺呢? 唐志洵教授说:2005年6月,英国的J.Dunning-Davies教授曾说过一段很有意思的话:“在20世纪末,许多人仍象对待圣物那样盲目相信由相对论推出的任何结果。他们忘记了所有理论都是人为的,而宇宙却不是人造的。任何理论或模型,只不过是微不足道的人类智力作出的某种解释。但许多人如此深信某个理论的正确,而知名权威们竟不惜代价地阻止任何人对这些理论提出任何问题。Dingle(对相对论)的忧虑至今被隐藏起来,Thornhill对狭义相对论(SR)的有效性的怀疑难见天日。……实际上,主流物理学并非如大多数人所以为的那样坚实与无懈可击。”对他的这些话,我深表赞同. 物体之间的相互作用并不是均是瞬间发生的。例如太阳光照到地球上,需要八分多钟。我们感觉到的光,也只是八分多钟以前的光。在这八分多钟的时间内,太阳又经过什么变化,只有以后才能知道,用光信号作为两点间是否同时的校对信号,不能推广到任意多点,这样只会仅凭感觉。否认客观的同时性,只依自己的感觉来认定同时性,只会走向唯心主义。 4。其他问题 “狭义相对论”既然是一个错误的理论 ,为什么诞生一百年来,会得到许多科学家的承认?这里可能有历史的原因和思想的原因。 在十九世纪末,科学上的重大发现,特别是放射性发现冲击了经典物理学,许多科学家对物理学产生了怀疑。“狭义相对论”诞生了。由于它把两个 相互矛盾的原理即光速不变原理和相对性原理同置于一个理论这下,各有各的用处,可以对几乎一切问题都能解释,虽然是不正确的解释在当时也受到欢迎。 “狭义相对论”把经典力学看成“狭义相对论”的一个特例,是“狭义相对论”在研究低速运动物体的理论的近似表述,就给经典力学仍然是科学的理论下了结论,这时信任经典力学的人也是一种精神上的安慰。“反正狭义相对论表述的是高速运动的现象,我们又不接触这些现象,有经典力学也就够了。”这是一部分的想法。 “狭义相对论”用四维时空表述运动,用张量分析进行计算,而要认识这些还需要时间,许多人不愿花 这些时间。又说三维空间中的人没法理解四维空间中的事务,狭义相对论好像是大海中来游的海龟,我们像井中之蛙,许多人怕被说是井中之蛙,也不敢来主持正义。狭义相对论利用复数,复数是不可比较的,也取消了认识事物的基本方法。 盲目崇拜也是原因之一。 在狭义相对论创立之初,革命导师列宁就根据当时的情况写了一本书,书名是《唯物主义和经验批判主义》,书中用专门一章对物理学由于新发现带来的新问题作了阐述。有的人引用了书中的一句话:“然而力学是缓慢运动的模写,新物理学是极迅速的实在运动的模写,毕竟还是不容置疑的。”说列宁肯定了新物理学,这里其实是误解。因为列宁在本章的开头就声明:“不言而喻,在研究现代的物理学家的一个学派和哲学唯心主义的复活的联系这一问题时,我们决不想涉及专门的物理学理论。我们想知道的只是从一些明确的论点和尽人皆知的发现中得出的认识论结论。”“因此,我们的任务仅限于清楚的说明,这些派别的分歧的实质何在,它们和哲学基本路线的关系如何。”中文版第251-252页) 看看本书的结论的第三条,“……但是有少数新物理学家,在近年来伟大发现所引起的旧理论的崩溃的影响下,在特别明显地表明我们知识的相对性新物理学危机的影响下,由于不懂得辩证法,就经过相对主义而陷入了唯心主义。现今流行的物理学唯心主义,就象不久以前流行过的生理学唯心主义一样,乃是一种反动的并且使人一时迷惑的东西。”不是令人寻味吗? 爱因斯坦曾说过:“对真理的追求要比对真理的占有更为可贵。”这句话还是值得欣赏的。 由于以上分析可知,“狭义相对论”这座力学大厦,是该销毁了。 对某些理论的重建,是繁重的任务,需要广大科技工作者的共同努力。好在“狭义相对论”把经典力学看成它的一个特例,仍承认是科学的理论,多年来仍然得到发展。许多成就在此理论指导下实现了。现在才知道,经典力学除概念需稍微修改外,仍然是科学的理论。 用“声纳”测超音速飞机与用雷达测μ介子,结果应该是类似的,这时要认清仪器造成测量的误差,不但要认真观测,还需要思维。就象认识地球是球形的过程一样。“狭义相对论”是思维物理走向误区的一个结果,所以必须推翻。 历史上曾认为声速是飞行物体的速度极限。在“声障”被突破以后,超音速飞机就诞生了。从而开创了宇宙航行的新的时代。 当然,人造物体要达到光速或接近光速,尚是十分遥远的事情。要超过光速就更加困难了。但在理论上不能不承认这个事实。 如有不对之处,欢迎朋友们指正。 通讯地址:河南省孟州市金驼纸业有限责任公司动力分厂 邮编:  454750 姓名: 杨升山 Email: mzhyss@ (此文被《中国当代思想宝库》一书收于690页。

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