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《相对论》粗略阅读后的总结

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《相对论》粗略阅读后的总结

狭义相对论总结:
狭义相对论的基本假设是真空光速的传播定律与狭义相对性原理,爱因斯坦用了很大篇幅来把这两个基本假设在经典力学那里的抵触消灭,只要抛弃绝对时空观,这两个基本假设就相容了。
狭义相对论的另一个重要假设是空间是平直的,即满足欧几里得几何学。
狭义相对论的几个基本推论都是按洛伦兹变换推导的;洛伦兹变换是以真空光速的传播定律为前提推导得到的。这几个基本推论揭示了空间(x,y,z)和时间(t)不是相互独立的,是相互联系的,同时揭示了坐标系的选取对同一事件的描述会造成影响的。
狭义相对论是以电动力学为基础、洛伦兹坐标系为参考系来讨论的。
经典力学是以牛顿力学为基础、伽利略坐标系为参考系来讨论的,经典力学实质是物体运动速度远小于真空光速时的狭义相对论。日常生活中经典力学足以解释日常生活的物理现象。
狭义相对论还提到“自然是四维的”。
狭义相对论的几何基础:欧几里得几何学。
广义相对论总结:
广义相对性原理:对于一切高斯坐标系,所有物理定律都适用。
广义相对论是从伽利略坐标系向高斯坐标系拓展讨论,从无引力场影响的讨论到有引力场影响的讨论。
广义相对论的几何基础是黎曼几何学。
广义相对论的几个推论是光传播路线弯曲和光谱上谱线有位移以及狭义相对论的推论都能从广义相对论中推出,这些推论是以引力场的影响为基础来推导的。
广义相对论的前提是引力质量与惯性质量相等。
整体总结:
狭义相对论与经典力学的坐标系都是伽利略坐标系,只是经典力学在处理坐标系的平移时点的变换使用伽利略变换,而狭义相对论使用洛伦兹变换。
广义相对论的坐标系则是高斯坐标系。
经典力学是狭义相对论的极限情况,狭义相对论是广义相对论的极限情况。
我是09届高三学生,今天用了1天粗略阅读了《相对论》,以上的总结不知道有没有把握《相对论》的内涵?请指教。

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好评回答
  • 2008-08-27 05:02:48
      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。

    1***

    2008-08-27 05:02:48

其他答案

    2008-09-05 13:53:37
  • 你还是要先学神学,物理的思维来理解相对论比较困难

    s***

    2008-09-05 13:53:37

  • 2008-08-31 20:31:05
  • 楼主真是天赋异禀啊,不错,自古英雄出少年,佩服佩服!!!我真希望你能好好研究一下我的那些问题,与我合作,早日开发出廉价的绿色能源,拯救我们共同居住的地球!

    1***

    2008-08-31 20:31:05

  • 2008-08-23 11:42:20
  • 只用一天就对相对论作总结???
    真是滑天下之大稽!!!
    相对论必须经过深入的研究和分析,才能读懂

    s***

    2008-08-23 11:42:20

  • 2008-08-23 10:14:14
  •   介绍相对论是分一定阶层的。 
    如果你的学习水平是大学~博士(要求是理工科)等级,你可以直接买大学物理教材,一般相对论教材会放到大学物理测量学和大学力学教材当中,推荐你买一本书:英文翻译过来的经典《物理学基础》,出版社忘了,只记得好象是由清华北大学者翻译来的。
      书封面有牛顿和爱因斯坦的肖像,价格160元RMB,新华书店一般会进一到两本,书内含盖了整个物理学领域的基础教材知识,且适合有一定基础的人自学。 如果你是高中生,并且自己觉得对高三微积分初步掌握的不错,你同样可以看看《物理学基础》,如果你尚未掌握微积分,推荐你先买《托马斯微积分》,价格80RMB左右,新华书店一般进3~4本,含盖了初等微积分和高等微积分,并且对学微积分需要的基础知识也列入其中,高中生掌握它不会太难。
       不推荐高中生阶段的人看高三物理最后一章中的相对论,因为高三教材中的相对论讲的太不全面了,容易让人看不懂相对论反而轻易觉得相对论是错误的。 如果你是初中生,已超课标一定程度,可以看看《时间简史》或《果壳中的地球》,作者都是霍金,当然你的语文阅读水平要高。
       如果你是小学生,你可以先。。。。。上到初中再按以上做法了解相对论。 先声明,相对论的正确性到目前仍有争议,不论对错,深入学习相对论对学习高能物理和改进高能物理都是必经的道路。 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。
       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。
       1915年11月,爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文,在这四篇论文中,他提出了新的看法,证明了水星近日点的进动,并给出了正确的引力场方程。至此,广义相对论的基本问题都解决了,广义相对论诞生了。1916年,爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》,在这篇文章中,爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论,将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理,并进一步表述了广义相对性原理:物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。
       爱因斯坦的广义相对论认为,由于有物质的存在,空间和时间会发生弯曲,而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论,很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移,即在强引力场中光谱向红端移动,20年代,天文学家在天文观测中证实了这一点。
      广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转,。最靠近地球的大引力场是太阳引力场,爱因斯坦预言,遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年,在英国天文学家爱丁顿的鼓动下,英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食,经过认真的研究得出最后的结论是:星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。
      英国皇家学会和皇家天文学会正式宣读了观测报告,确认广义相对论的结论是正确的。会上,著名物理学家、皇家学会会长汤姆孙说:“这是自从牛顿时代以来所取得的关于万有引力理论的最重大的成果”,“爱因斯坦的相对论是人类思想最伟大的成果之一”。爱因斯坦成了新闻人物,他在1916年写了一本通俗介绍相对认的书《狭义相对论与广义相对论浅说》,到1922年已经再版了40次,还被译成了十几种文字,广为流传。
       相对论的意义 狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实践和历史的考验,是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现代人类思相的发展都有巨大的影响。 相对论从逻辑思想上统一了经典物理学,使经典物理学成为一个完美的科学体系。
      狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似。
      这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。 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。 一位法国物理学家曾经这样评价爱因斯坦:“在我们这一时代的物理学家中,爱因斯坦将位于最前列。
      他现在是、将来也还是人类宇宙中最有光辉的巨星之一”,“按照我的看法,他也许比牛顿更伟大,因为他对于科学的贡献,更加深入地进入了人类思想基本要领的结构中。” 回答者:鸶歌 - 秀才 二级 7-11 13:13 相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由爱因斯坦(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光速不变原理,相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了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条件下的物体。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。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”,“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。
       狭义相对论,是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间——绝对空间,时间是独立于空间的单独一维(因而也是绝对的),即绝对时空观。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立,而是一个统一的四维时空整体,并不存在绝对的空间和时间。
      在狭义相对论中,整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的,这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为基本假设,结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换。 广义相对论是爱因斯坦在1915年发表的理论。
      爱因斯坦提出“等效原理”,即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上(目前实验证实,在10 − 12的精确度范围内,仍没有看到引力质量与惯性质量的差别)。根据等效原理,爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理,即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。
      物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身故有性质无关,只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲,在弯曲的时空中,物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动),如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动,实际是绕着太阳转,造成引力作用效应。
      正如在弯曲的地球表面上,如果以直线运动,实际是绕着地球表面的大圆走。 倒相对论:相对论的提出,同样受到很多的指责,有很多人认为它是错误的,并大大阻碍了社会的发展。然而这种观点并不被主流科学界所接受。 爱因斯坦和他的相对论 除了量子理论以外,1905年刚刚得到博士学位的爱因斯坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章引发了二十世纪物理学的另一场革命。
      文章研究的是物体的运动对光学现象的影响,这是当时经典物理学面对的另一个难题。 十九世纪中叶,麦克斯韦建立了电磁场理论,并预言了以光速C传播的电磁波的存在。到十九世纪末,实验完全证实了麦克斯韦理论。电磁波是什么?它的传播速度C是对谁而言的呢?当时流行的看法是整个宇宙空间充满一种特殊物质叫做“以太”,电磁波是以太振动的传播。
      但人们发现,这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是在一个静止的以太中运动,那么根据速度迭加原理,在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样,但是实验否定了这个结论。如果认为以太被地球带着走,又明显与天文学上的一些观测结果不符。 1887年迈克尔逊和莫雷利用光的干涉现象进行了非常精确的测量,仍没有发现地球有相对于以太的任何运动。
      对此,洛仑兹(H.A.Lorentz)提出了一个假设,认为一切在以太中运动的物体都要沿运动方向收缩。由此他证明了,即使地球相对以太有运动,迈克尔逊也不可能发现它。爱因斯坦从完全不同的思路研究了这一问题。他指出,只要摒弃牛顿所确立的绝对空间和绝对时间的概念,一切困难都可以解决,根本不需要什么以太。
       爱因斯坦提出了两条基本原理作为讨论运动物体光学现象的基础。第一个叫做相对性原理。它是说:如果坐标系K'相对于坐标系K作匀速运动而没有转动,则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验,都不可能区分哪个是坐标系K,哪个是坐标系K′。第二个原理叫光速不变原理,它是说光(在真空中)的速度c是恒定的,它不依赖于发光物体的运动速度。
       从表面上看,光速不变似乎与相对性原理冲突。因为按照经典力学速度的合成法则,对于K′和K这两个做相对匀速运动的坐标系,光速应该不一样。爱因斯坦认为,要承认这两个原理没有抵触,就必须重新分析时间与空间的物理概念。 经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设:1.两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系;2.两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。
      爱因斯坦发现,如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的,那么这两条假设都必须摒弃。这时,对一个钟是同时发生的事件,对另一个钟不一定是同时的,同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中,测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性。
       如果设K坐标系中一个事件可以用三个空间坐标x、y、z和一个时间坐标t来确定,而K′坐标系中同一个事件由x′、y′、z′和t′来确定,则爱因斯坦发现,x′、y′、z′和t′可以通过一组方程由x、y、z和t求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c是方程的唯一参数。
      这个方程最早是由洛仑兹得到的,所以称为洛仑兹变换。 利用洛仑兹变换很容易证明,钟会因为运动而变慢,尺在运动时要比静止时短,速度的相加满足一个新的法则。相对性原理也被表达为一个明确的数学条件,即在洛仑兹变换下,带撇的空时变量x'、y'、z'、t'将代替空时变量x、y、z、t,而任何自然定律的表达式仍取与原来完全相同的形式。
      人们称之为普遍的自然定律对于洛仑兹变换是协变的。这一点在我们探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。 此外,在经典物理学中,时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的,每个事件由四个数来描述。
      这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z,它们构成一个四维的连续空间,通常称为闵可夫斯基四维空间。在相对论中,用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦以前,物理学家一直认为质量和能量是截然不同的,它们是分别守恒的量。
      爱因斯坦发现,在相对论中质量与能量密不可分,两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个著名的质量-能量公式:E=mc2,其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明,微小的质量蕴涵着巨大的能量。这个奇妙的公式为人类获取巨大的能量,制造原子弹和氢弹以及利用原子能发电等奠定了理论基础。
       对爱因斯坦引入的这些全新的概念,大部分物理学家,其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹,都觉得难以接受。旧的思想方法的障碍,使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉,就连瑞典皇家科学院,1922年把诺贝尔奖金授予爱因斯坦时,也只是说“由于他对理论物理学的贡献,更由于他发现了光电效应的定律。
      ”对于相对论只字未提。 。

    m***

    2008-08-23 10:14:14

  • 2008-08-23 09:45:32
  • 难得难得!兄台年纪轻轻,就能有如此渊博学识(须知“坐标系”、“变换”这些数学概念,都是大学的高数(甚至数学分析)课程里才能深入地触及到)!

    疯***

    2008-08-23 09:45:32

  • 2008-08-23 09:43:49
  • 说句实话,我的物理虽然不差,但我最怕《相对论》了,看了你的总结,使我对《相对论》有了进一步的认识,你只用了1天时间,就能总结出这些,你真棒!

    网***

    2008-08-23 09:43:49

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