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广义相对论和狭义相对论的区别?

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广义相对论和狭义相对论的区别?

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    2007-08-29 08:59:04
  • 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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    季卡他性结膜炎是一类好发于儿童和青少年的过敏性疾病。这种奇痒难忍的眼病具有明显的季节性,每当春暖花开时发病,到秋末天寒时症状消失,称为春季卡他性结膜炎,因其在青少年中多见,又被称为青少年性结膜炎。中医称之为:奇痒难忍症、时复症、时复目痒症。 3月正是春季卡他性结膜炎发病的时候,据了解,现在医院已经开始每天接诊散发病例,随着气温的升高,病人会越来越多,病情也会逐渐加重。根据往年经验,四五月份到达高峰。病人以5至12岁男孩居多。 卡他性结膜炎忌热敷 春季卡他性结膜炎是一种过敏性、季节性、反复发作的双眼性结膜炎症,点抗菌素眼药水无效。这种结膜炎一般认为与花粉、风沙刺激、毛发、日光、浮尘等有关,也可同时合并其他某种过敏性疾病,患者大都双眼奇痒、充血、怕光、流泪,并有少量黏液性乳白色分泌物出现,天热及揉眼后症状加重。 随着患者年龄的增长,在过敏原的不断刺激下该病可自行消退,一般不影响视力,没有传染性。目前对该病的治疗仅限于缓解症状、减轻痛苦,而不能根治。 春季卡他性结膜炎的治疗方法很多,最好的方式就是避开过敏原。当春季到来,外出时尽可能戴墨镜,避免光照、风尘等有害刺激,尽量不接触花粉。发病应及时到正规医院眼科就诊。痒时可冷敷,避免用手揉或热敷。另外,患者应注意不要长期用激素类滴眼液滴眼,长期用激素类药会引起青光眼、角膜炎、白内障等。 春季多风沙需防干眼症 春季风沙带来的另一种眼病就是干眼症了。得了干眼症的人,轻则眼睛常有干涩、灼热或异物感,眨眼次数增加,闭眼才感舒适;重则造成角膜上皮受损而怕光、刺痛,甚至反常地大量流泪,严重的会引起角膜溃疡、视力受损等后遗症。对于绝经期的女性来说,体内的雌激素分泌减少,整体的体液就会减少,风一吹更容易引发干眼症。 患了干眼症可以使用人工泪液、润洁等滋润眼睛,也可以到医院采用泪点封闭手术及改善环境以防止泪水蒸发。眼睛容易干涩的人,应该极为注意用眼卫生,每隔40分钟就要闭上眼休息一下,并养成每晚热敷的习惯。 风沙眯住眼莫要用力揉当风沙眯眼时,切忌用力揉,这样会揉破眼角膜上皮,引起角膜感染。应该采用其他方式刺激眼部,让泪液把沙子带出来。春天本来就是细菌及病毒复苏肆虐的季节,风沙则成了细菌、病毒旅行的好媒介。它们借助风力,侵入到人体内,最易落脚处则是裸露在外的眼部及耳鼻部、口部。如果在这个季节感觉眼睛不适,在使用常用眼药不见效时,请马上去医院就诊。 一旦患上眼病,请注意在沙尘天气减少外出时间,并在外出时做好眼部防护。此外,日常饮食中要多增加动物肝脏及富含维生素A的食物,如胡萝卜等。

    人体常识

  • 自尿能治卡他性结膜炎么?

    小儿的尿液确实有清热解毒的作用,但是用来治疗春季卡他性结膜炎,在临床上还没有用过。这可能是一种偏方,在实际运用上缺乏一定的科学性。自尿治疗春季卡他性结膜炎的做法也有人并不赞同,也可能是医学上的新的观点,但并不能表明所有的患者使用这种方式都管用。治疗春季卡他性结膜炎,首先要找到过敏原,隔离过敏原后,对症治疗才是科学。

    人体常识

  • 同花顺股票软件中k线图被删了如何恢复?

    你鼠标左键点击你误删的位置,之后右键一下,出现了菜单,你逐一看,选择你要的K线双击即可。如果还不行就重新启动,如果依旧不行就等下次升级。

    商业/理财

  • 怎么对期货交易进行管理?

    其实管理期货交易直接影响了我们的盈利问题,我们可以回忆在市场遇阻回调后,市场重拾升势向上突破阻挡,这时候要做多。或者在市场遇到支撑回调后,市场重回跌势向下突破支撑,这是开始做空。为了决定在哪里设定我的止损和止盈价位,我限定了一个标称波动范围。

    期货

  • 打算做期货,谁告诉我期货交易手续费多少?

    期货手续费相当于股票中的佣金。对股票来说,炒股的费用包括印花税、佣金、过户费及其他费用。相对来说,从事期货交易的费用就只有手续费。期货手续费是指期货交易者买卖期货成交后按成交合约总价值的一定比例所支付的费用,期货交易除了手续费之外,交易所还要收取投资者保障基金,费率为万分之零点二,相当于股票交易的印花税。

    期货

  • 如果要炒期货,请问下载什么样的期货交易平...

    在如今越来越多人使用期货配资,也让人更加质疑可行不可行。期货配资平台应运而生,想要尝试,就要找到有竞争力的期货软件,这里我们可以找初次尝试成本低,方便快捷又可靠,这便是选择的重大要素。

    期货

  • 谁知道期货交易的性质是什么?

    期货交易是以现货交易为基础,以远期合同交易为雏形而发展起来的一种高级的交易方式。它是指为转移市场价格波动风险,而对那些大批量均质商品所采取的,通过经纪人在商品交易所内,以公开竞争的形式进行期货合约的买卖形式

    期货

  • 想要学习期货交易,请问该如何开始?

    我们要熟知品种。股票有股性,期货品种也各有"脾气"。比如,当前的大豆、铜等品种,由于与国际联动,它们受世界供求关系影响较大,资金力量在市场中的作用偏弱;而小麦等品种由于现货市场没有完全放开,受国内政策及资金力量影响较大。

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