相對(duì)論（specialrelativity）——愛(ài)因斯坦

——12物理一班柳菊薈相對(duì)論概述

相對(duì)論是20世紀(jì)物理學(xué)史上最重大的成就之一。包括了狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論兩部分，狹義相對(duì)論顛覆了從牛頓以來(lái)形成時(shí)空觀，提出了時(shí)間和空間統(tǒng)一性和相對(duì)性，建立了新的時(shí)空觀。廣義相對(duì)論把相對(duì)論原理推廣到非慣性參考系和彎曲空間，從而建立了新的的引力理論，在相對(duì)論建立過(guò)程中愛(ài)因斯坦起了主要作用。狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論兩條基本理論：相對(duì)性原理和光速不變性原理。按照狹義相對(duì)論而言，物體運(yùn)動(dòng)時(shí)質(zhì)量會(huì)隨著物體運(yùn)動(dòng)速度增大而增大即質(zhì)量的相對(duì)性效應(yīng)，同時(shí)，空間和時(shí)間也會(huì)隨物體運(yùn)動(dòng)速度變化而變化，即會(huì)發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。由狹義相對(duì)性原理還得出了速度相加原理和以及質(zhì)能方程。狹義相對(duì)論的本質(zhì)狹義相對(duì)論導(dǎo)致了對(duì)空間和時(shí)間的物理概念的清楚認(rèn)識(shí)，并且由此認(rèn)識(shí)到運(yùn)動(dòng)著的量桿和時(shí)鐘的行為。它在原則上取消了絕對(duì)同時(shí)性概念，從而也取消了牛頓所理解的那個(gè)即時(shí)超距概念。它指出，在處理同光速相比不是小到可忽略的運(yùn)動(dòng)時(shí)，運(yùn)動(dòng)定律必須加以怎樣的修改。它導(dǎo)致了麥克斯韋電磁場(chǎng)方程的形式上的澄清；特別是導(dǎo)致了對(duì)電場(chǎng)和磁場(chǎng)本質(zhì)上的統(tǒng)一性的理解。它把動(dòng)能守恒和能量守恒這兩條定律統(tǒng)一成一條定律，并且指出了質(zhì)量同能量的等效性。從形式的觀點(diǎn)來(lái)看，狹義相對(duì)論的成就可以表征如下：它一般的指出了普適常數(shù)c（光速）在自然規(guī)律中所起的作用，并且表明以時(shí)間作為一方，空間坐標(biāo)作為另一方，兩者進(jìn)入自然規(guī)律的形式之間存在著密切的聯(lián)系。廣義相對(duì)論廣義相對(duì)論兩條基本公設(shè)：等效原理（引力和慣性力等效），廣義相對(duì)性原理（所有物體定律在任何參考系中都取相同的形式）。按照廣義相對(duì)論，在局部慣性系內(nèi)，不存在引力，一維時(shí)間和三維空間組成四維平坦的歐幾里得空間；在任意參考系內(nèi)，存在引力，引力引起時(shí)空彎曲，因而時(shí)空是四維彎曲的非歐黎曼空間。由廣義相對(duì)論原理還得出了物質(zhì)分布影響時(shí)空幾何的引力場(chǎng)方程。廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)光線在引力場(chǎng)中的彎曲光譜線引力紅移雷達(dá)回波延遲引力波脈沖雙星的觀測(cè)廣義相對(duì)論的意義廣義相對(duì)論對(duì)于研究天體結(jié)構(gòu)和演化以及宇宙的結(jié)構(gòu)和演化具有重要意義。中子星的形成和結(jié)構(gòu)、黑洞物理和黑洞探測(cè)、引力輻射理論和引力波探測(cè)、大爆炸宇宙學(xué)、量子引力以及大尺度時(shí)空的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等問(wèn)題的研究正在深入，廣義相對(duì)論成為物理研究的重要理論基礎(chǔ)。愛(ài)因斯坦生平簡(jiǎn)介啊爾伯特·愛(ài)因斯坦猶太人，于1879年誕生于德國(guó)，1895年遷居瑞士。小時(shí)候的他并不顯得才華出眾，中學(xué)沒(méi)有畢業(yè)就退了學(xué)，16歲自學(xué)掌握微積分，曾在瑞士的蘇黎世的啊勞州立中學(xué)補(bǔ)習(xí)過(guò)功課。世界十大杰出物理學(xué)家之一，現(xiàn)代物理學(xué)的開(kāi)創(chuàng)者、集大成者和奠基人。作為20世紀(jì)猶太裔理論物理學(xué)家，愛(ài)因斯坦創(chuàng)立了相對(duì)論——現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一（另一個(gè)是量子力學(xué)），其質(zhì)能方程E=mc2著稱(chēng)于世，并因?yàn)椤皩?duì)理論物理的貢獻(xiàn)，特別是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)”的規(guī)律而獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1955年4月18日，愛(ài)因斯坦因病逝世。愛(ài)因斯坦創(chuàng)立相對(duì)論的思想歷程在愛(ài)因斯坦16歲時(shí)候，他產(chǎn)生了一種想法：如果一個(gè)人以光的速度運(yùn)動(dòng)，他將看到一幅什么樣的世界景象呢？與此相關(guān)聯(lián)，他非常想探討與光波有關(guān)的以太問(wèn)題，但邁克耳遜莫雷實(shí)驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn)以太不太可能存在電磁學(xué)的發(fā)展最初也是納入牛頓力學(xué)的框架，但在解釋運(yùn)動(dòng)物體的電磁過(guò)程時(shí)卻發(fā)現(xiàn)，與牛頓力學(xué)所遵從的相對(duì)性原理不一致。按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度，也就是光的速度是一個(gè)恒量；然而按照牛頓力學(xué)的速度加法原理，不同慣性系的光速不同。愛(ài)因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經(jīng)過(guò)赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動(dòng)力學(xué)。愛(ài)因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的，但是有一個(gè)問(wèn)題使他不安，這就是絕對(duì)參照系以太的存在。他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn)，所有人試圖證明以太存在的試驗(yàn)都是失敗的。經(jīng)過(guò)研究愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)，除了作為絕對(duì)參照系和電磁場(chǎng)的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒(méi)有實(shí)際意義。于是他想到：以太絕對(duì)參照系是必要的嗎？電磁場(chǎng)一定要有荷載物嗎？這時(shí)他一開(kāi)始懷疑以太存在的必要。愛(ài)因斯坦喜歡閱讀哲學(xué)著作，并從哲學(xué)中吸收思想營(yíng)養(yǎng)，他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性。相對(duì)性原理已經(jīng)在力學(xué)中被廣泛證明，卻在電動(dòng)力學(xué)中卻無(wú)法成立，對(duì)于物理學(xué)這兩個(gè)理論體系在邏輯上的不一致，愛(ài)因斯坦提出了懷疑。他認(rèn)為，相對(duì)論原理應(yīng)該普遍成立，因此電磁理論對(duì)于各個(gè)慣性系應(yīng)該具有同樣的形式，但在這里出現(xiàn)了光速的問(wèn)題。光速是不變的量還是可變的量，成為相對(duì)性原理是否普遍成立的首要問(wèn)題。1905年5月的一天，愛(ài)因斯坦與一個(gè)朋友貝索討論這個(gè)已探索了十年的問(wèn)題，貝索按照馬赫主義的觀點(diǎn)闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛(ài)因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，終于想明白了問(wèn)題。第二天，他又來(lái)到貝索家，說(shuō)：謝謝你，我的問(wèn)題解決了。原來(lái)愛(ài)因斯坦想清楚了一件事：時(shí)間沒(méi)有絕對(duì)的定義，時(shí)間與光信號(hào)的速度有一種不可分割的聯(lián)系。他找到了開(kāi)鎖的鑰匙，經(jīng)過(guò)五個(gè)星期的努力工作，愛(ài)因斯坦把狹義相對(duì)論呈現(xiàn)在人們面前。相對(duì)論的意義狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論建立以來(lái)，已經(jīng)過(guò)去了很長(zhǎng)時(shí)間，它經(jīng)受住了實(shí)踐和歷史的考驗(yàn)，是人們普遍承認(rèn)的真理。相對(duì)論對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代人類(lèi)思想的發(fā)展都有巨大的影響。相對(duì)論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué)，使經(jīng)典物理學(xué)成為一個(gè)完美的科學(xué)體系。狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)兩個(gè)體系，指出它們都服從狹義相對(duì)性原理，都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學(xué)只不過(guò)是物體在低速運(yùn)動(dòng)下很好的近似規(guī)律。廣義相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過(guò)等效原理，建立了局域慣性長(zhǎng)與普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系，得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式，并建立了廣義協(xié)變的引