簡(jiǎn)單點(diǎn)說(shuō),廣義相對(duì)論的“廣義”體現(xiàn)在它把“物理規(guī)律可表為同一形式”從狹義相對(duì)論所描述的“慣性系”推廣到了“任意參考系”。
具體來(lái)說(shuō),如下:
【狹義相對(duì)論】
了解狹義相對(duì)論,首先要了解狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè):
(1)相對(duì)性原理:所有的慣性系等價(jià)。物理規(guī)律對(duì)于所有慣性系都表示為同一形式;
(2)光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑傧鄬?duì)于任何慣性系沿任一方向恒為c,且與光源運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。
狹義相對(duì)論的基本內(nèi)容:
(1)慣性系之間時(shí)空坐標(biāo)的洛倫茲變換及其物理意義,這是相對(duì)論時(shí)空觀的集中反映;
(2)物理規(guī)律的協(xié)變性,即物理規(guī)律在任意慣性系中可表為同一形式;
(3)把麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式表為協(xié)變形式,從而使電動(dòng)力學(xué)成為明顯相對(duì)論性的理論,用于解決任意速度帶電粒子與電磁場(chǎng)的相互作用問(wèn)題。
狹義相對(duì)論效應(yīng)對(duì)于“微觀、高速”的粒子表現(xiàn)明顯。
【廣義相對(duì)論】
兩個(gè)基本原理:
(1)等效原理:在處于均勻的恒定引力場(chǎng)影響下的慣性系,所發(fā)生的一切物理現(xiàn)象,可以和一個(gè)不受引力場(chǎng)影響的,但以恒定加速度運(yùn)動(dòng)的非慣性系內(nèi)的物理現(xiàn)象完全相同;(即“引力”與“慣性力”等效)
(2)廣義相對(duì)論的相對(duì)性原理:所有非慣性系和有引力場(chǎng)存在的慣性系對(duì)于描述物理現(xiàn)象都是等價(jià)的。(即物理規(guī)律在任意參考系中具有相同形式)
廣義相對(duì)論是基于狹義相對(duì)論的,它認(rèn)為引力是由空間-時(shí)間幾何的畸變引起的,它不是傳統(tǒng)意義上的力,而是因時(shí)空中的物質(zhì)與能量而彎曲的時(shí)空。
狹義相對(duì)論和萬(wàn)有引力定律都是廣義相對(duì)論的特例,前者是沒(méi)有重力的情形,后者是距離近、引力小和速度慢的情形。
廣義相對(duì)論還認(rèn)為“物體在時(shí)空幾何中沿著最短路徑運(yùn)動(dòng)”。
若時(shí)空中沒(méi)有引力,則沿直線運(yùn)動(dòng);若時(shí)空中有引力造成時(shí)空畸變,則沿“測(cè)地線”(大圓)運(yùn)動(dòng)。
什么是狹義相對(duì)論
楊升山
2005年被稱(chēng)為愛(ài)因斯坦年,形成學(xué)習(xí)狹義相對(duì)論的熱潮,我有幸得到北京廣播學(xué)院(現(xiàn)名中國(guó)傳媒大學(xué))的黃志洵教授的書(shū)。書(shū)名為:,對(duì)狹義相對(duì)論的分析比較系統(tǒng),對(duì)超光速的研究也很投入。
狹義相對(duì)論是A。愛(ài)因斯坦創(chuàng)立的理論,主要內(nèi)容是依據(jù)兩個(gè)公設(shè)與一個(gè)變換。
一個(gè)變換是洛侖茲變換(不同慣性系之間的變換必須是loretz變換)。
兩個(gè)公設(shè)是:相對(duì)性原理(就是:物理定律在一切慣性系中都相同。)與光速不變?cè)恚ň褪牵汗庠谡婵罩锌傆写_定速度,與觀察者或光源的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān))。
從而有四個(gè)推論(運(yùn)動(dòng)的尺變短;運(yùn)動(dòng)的鐘變慢;光子的靜質(zhì)量為零;物質(zhì)不可能超過(guò)光速)和三個(gè)關(guān)系式(速度合成公式;質(zhì)量速度公式;質(zhì)能關(guān)系式)。
我認(rèn)為,狹義相對(duì)論并不是科學(xué)理論,請(qǐng)看下面的問(wèn)題:
同類(lèi)的問(wèn)題為什么不能用同樣的解釋法?
例一:烏魯木齊市有一腎外傷病人,已經(jīng)出現(xiàn)尿中毒癥狀,急需透析或換腎,否則最多再活12小時(shí),經(jīng)上網(wǎng)查詢,坐火車(chē)從烏魯木齊到上海最快也要47小時(shí),他乘火車(chē)肯定會(huì)死在半路上,請(qǐng)求空軍部隊(duì)支援后,他的病得到及時(shí)救治。對(duì)于他來(lái)說(shuō),,可以說(shuō)空軍部隊(duì)把烏魯木齊與上海的距離拉近了;也可以說(shuō),空軍部隊(duì)延長(zhǎng)了他的生命,人們都說(shuō)飛機(jī)比火車(chē)快。
例二:離地表20公里的高空產(chǎn)生的μ介子,固有壽命僅2。2微秒,即使它依光速運(yùn)動(dòng),最多也只能走660米,事實(shí)上它能跑到地面上,狹義相對(duì)論解釋說(shuō),它把自己的壽命延長(zhǎng)了,或者說(shuō)它把這段距離縮短了,人們?yōu)槭裁床荒苷f(shuō)它的速度比光速快?
對(duì)于病人,至于搶救后的生命延續(xù),我并沒(méi)有考慮在內(nèi),我只考慮從烏魯木齊市到上海這段行程。他們都有有限的壽命,都行走了一段距離,都可以用兩種速度計(jì)算,為什么不是同類(lèi)問(wèn)題?我想問(wèn)一問(wèn),狹義相對(duì)論是不是錯(cuò)了?
狹義相對(duì)論把超過(guò)光速的運(yùn)動(dòng)物體都說(shuō)成是速度不超過(guò)光速,就像把飛機(jī)的速度說(shuō)成是沒(méi)有火車(chē)快一樣,同樣能解釋許多問(wèn)題,可是這些解釋都是似是而非的。狹義相對(duì)論說(shuō)的(時(shí)延與尺縮)效應(yīng),都只有運(yùn)動(dòng)物體自己感覺(jué)到,對(duì)周?chē)h(huán)境沒(méi)有影響就是證明。再說(shuō)空間與量桿是同時(shí)縮短的,量度的數(shù)據(jù)也不變呀!高空中的μ介子從20公里外能跑到地面,只用。2。2微秒時(shí)間這個(gè)事實(shí),說(shuō)明它就是超光速運(yùn)動(dòng)物體。
現(xiàn)代,對(duì)于基本粒子的研究,大多采用“速度選擇儀”測(cè)定速度,測(cè)量高能粒子的速度選擇儀從未測(cè)到過(guò)超光速粒子,我認(rèn)為是儀器測(cè)量發(fā)生了誤差,,只要把“速度選擇儀”測(cè)得的速度V測(cè)代 入V實(shí)=V測(cè)/(1-V2測(cè)/c2,0)1/2,0
求出真實(shí)速度V實(shí)所謂質(zhì)量變化,長(zhǎng)度變化,時(shí)間變化都不存實(shí)系在了。經(jīng)典力學(xué)就可應(yīng)用了。
這樣,空間、時(shí)間、質(zhì)量都保持恒定,經(jīng)典力學(xué)就可以應(yīng)用了。
如果硬要說(shuō)超光速運(yùn)動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)速度低于光速,那和硬說(shuō)飛機(jī)的速度沒(méi)有火車(chē)快有什么兩樣?
如科普著作《物理世界奇遇記》中說(shuō):“究竟是我們騎得快,還是街道變得短,這又有什么不同嗎?我需要跑過(guò)十個(gè)交叉路口才能到達(dá)郵局,如果蹬得快一點(diǎn),街道也就會(huì)變得短一些,而我們也就到得早一些。瞧,我們事實(shí)上已經(jīng)到了。”實(shí)際上,這種說(shuō)法就是要求能夠解釋過(guò)去就行了,至于是不是科學(xué)的解釋?zhuān)鞘怯貌恢リP(guān)心的。在自然科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)沖擊物理學(xué)經(jīng)典理論的浪濤中,許多科學(xué)家滿足于能夠解釋自然現(xiàn)象,“狹義相對(duì)論”的產(chǎn)生正好迎合了這種思潮。
在《新浪愛(ài)問(wèn)》里。我多次勸告學(xué)生們,不要在學(xué)業(yè)沒(méi)完成時(shí)去鉆研相對(duì)論,應(yīng)該照著老師教得去記。不然他們會(huì)得不到學(xué)分,連畢業(yè)都難呀!
愛(ài)因斯坦只不過(guò)運(yùn)氣太好了。他生在原有的科學(xué)知識(shí)遇到問(wèn)題而急需解釋的時(shí)候,雖然不太正確的理論也會(huì)受歡迎。
他的同時(shí)性的校對(duì)方法是根本不能實(shí)現(xiàn)的。
洛倫茲變換還有另兩個(gè)結(jié)果:時(shí)間縮短與空間膨脹。
它采用幾何學(xué)形狀與運(yùn)動(dòng)學(xué)形狀,應(yīng)用時(shí)又不刻意區(qū)分。
他的幾個(gè)推論是不能同時(shí)應(yīng)用的,只能是--------也可以等價(jià)的用。
我是不會(huì)贊成這個(gè)理論的。
經(jīng)過(guò)大量宣傳,我們學(xué)校的各種課本及課外讀物中,到處可看的介紹相對(duì)論的圖文,甚至小學(xué)生的讀物中也有,我不知道這樣做會(huì)對(duì)我國(guó)的教育有事么影響,我想只會(huì)造成思維混亂。
相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論,主要由愛(ài)因斯坦(Albert Einstein)創(chuàng)立,分為狹義相對(duì)論(特殊相對(duì)論)和廣義相對(duì)論(一般相對(duì)論)。
相對(duì)論的基本假設(shè)是光速不變?cè)?,相?duì)性原理和等效原理。相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。
奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué),不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體和微觀條件下的物體。相對(duì)論解決了高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題;量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問(wèn)題。
相對(duì)論極大的改變了人類(lèi)對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念,提出了“同時(shí)的相對(duì)性”,“四維時(shí)空”“彎曲空間”等全新的概念。
狹義相對(duì)論就是 狹義相對(duì)論是建立在四維時(shí)空觀上的一個(gè)理論,因此要弄清相對(duì)論的內(nèi)容,要先對(duì)相對(duì)論的時(shí)空觀有個(gè)大體了解。
在數(shù)學(xué)上有各種多維空間,但目前為止,我們認(rèn)識(shí)的物理世界只是四維,即三維空間加一維時(shí)間?,F(xiàn)代微觀物理學(xué)提到的高維空間是另一層意思,只有數(shù)學(xué)意義,在此不做討論。
四維時(shí)空是構(gòu)成真實(shí)世界的最低維度,我們的世界恰好是四維,至于高維真實(shí)空間,至少現(xiàn)在我們還無(wú)法感知。一把尺子在三維空間里(不含時(shí)間)轉(zhuǎn)動(dòng),其長(zhǎng)度不變,但旋轉(zhuǎn)它時(shí),它的各坐標(biāo)值均發(fā)生了變化,且坐標(biāo)之間是有聯(lián)系的。
四維時(shí)空的意義就是時(shí)間是第四維坐標(biāo),它與空間坐標(biāo)是有聯(lián)系的,也就是說(shuō)時(shí)空是統(tǒng)一的,不可分割的整體,它們是一種”此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系。 四維時(shí)空不僅限于此,由質(zhì)能關(guān)系知,質(zhì)量和能量實(shí)際是一回事,質(zhì)量(或能量)并不是獨(dú)立的,而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的,比如速度越大,質(zhì)量越大。
在四維時(shí)空里,質(zhì)量(或能量)實(shí)際是四維動(dòng)量的第四維分量,動(dòng)量是描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量,因此質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的了。在四維時(shí)空里,動(dòng)量和能量實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一,稱(chēng)為能量動(dòng)量四矢。
另外在四維時(shí)空里還定義了四維速度,四維加速度,四維力,電磁場(chǎng)方程組的四維形式等。值得一提的是,電磁場(chǎng)方程組的四維形式更加完美,完全統(tǒng)一了電和磁,電場(chǎng)和磁場(chǎng)用一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)張量來(lái)描述。
四維時(shí)空的物理定律比三維定律要完美的多,這說(shuō)明我們的世界的確是四維的??梢哉f(shuō)至少它比牛頓力學(xué)要完美的多。
至少由它的完美性,我們不能對(duì)它妄加懷疑。 相對(duì)論中,時(shí)間與空間構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維時(shí)空,能量與動(dòng)量也構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維動(dòng)量。
這說(shuō)明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯(lián)系。在今后論及廣義相對(duì)論時(shí)我們還會(huì)看到,時(shí)空與能量動(dòng)量四矢之間也存在著深刻的聯(lián)系。
物質(zhì)在相互作用中作永恒的運(yùn)動(dòng),沒(méi)有不運(yùn)動(dòng)的物質(zhì),也沒(méi)有無(wú)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng),由于物質(zhì)是在相互聯(lián)系,相互作用中運(yùn)動(dòng)的,因此,必須在物質(zhì)的相互關(guān)系中描述運(yùn)動(dòng),而不可能孤立的描述運(yùn)動(dòng)。也就是說(shuō),運(yùn)動(dòng)必須有一個(gè)參考物,這個(gè)參考物就是參考系。
伽利略曾經(jīng)指出,運(yùn)動(dòng)的船與靜止的船上的運(yùn)動(dòng)不可區(qū)分,也就是說(shuō),當(dāng)你在封閉的船艙里,與外界完全隔絕,那么即使你擁有最發(fā)達(dá)的頭腦,最先進(jìn)的儀器,也無(wú)從感知你的船是勻速運(yùn)動(dòng),還是靜止。更無(wú)從感知速度的大小,因?yàn)闆](méi)有參考。
比如,我們不知道我們整個(gè)宇宙的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因?yàn)橛钪媸欠忾]的。愛(ài)因斯坦將其引用,作為狹義相對(duì)論的第一個(gè)基本原理:狹義相對(duì)性原理。
其內(nèi)容是:慣性系之間完全等價(jià),不可區(qū)分。 著名的麥克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)徹底否定了光的以太學(xué)說(shuō),得出了光與參考系無(wú)關(guān)的結(jié)論。
也就是說(shuō),無(wú)論你站在地上,還是站在飛奔的火車(chē)上,測(cè)得的光速都是一樣的。這就是狹義相對(duì)論的第二個(gè)基本原理,光速不變?cè)怼?/p>
由這兩條基本原理可以直接推導(dǎo)出相對(duì)論的坐標(biāo)變換式,速度變換式等所有的狹義相對(duì)論內(nèi)容。比如速度變幻,與傳統(tǒng)的法則相矛盾,但實(shí)踐證明是正確的,比如一輛火車(chē)速度是10m/s,一個(gè)人在車(chē)上相對(duì)車(chē)的速度也是10m/s,地面上的人看到車(chē)上的人的速度不是20m/s,而是(20-10^(-15))m/s左右。
在通常情況下,這種相對(duì)論效應(yīng)完全可以忽略,但在接近光速時(shí),這種效應(yīng)明顯增大,比如,火車(chē)速度是0。99倍光速,人的速度也是0。
99倍光速,那么地面觀測(cè)者的結(jié)論不是1。98倍光速,而是0。
999949倍光速。車(chē)上的人看到后面的射來(lái)的光也沒(méi)有變慢,對(duì)他來(lái)說(shuō)也是光速。
因此,從這個(gè)意義上說(shuō),光速是不可超越的,因?yàn)闊o(wú)論在那個(gè)參考系,光速都是不變的。速度變換已經(jīng)被粒子物理學(xué)的無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)證明,是無(wú)可挑剔的。
正因?yàn)楣獾倪@一獨(dú)特性質(zhì),因此被選為四維時(shí)空的唯一標(biāo)尺。 廣義相對(duì)論 愛(ài)因斯坦的第二種相對(duì)性理論(1916年)。
該理論認(rèn)為引力是由空間——時(shí)間幾何(也就是,不僅考慮空間中的點(diǎn)之間,而是考慮在空間和時(shí)間中的點(diǎn)之間距離的幾何)的畸變引起的,因而引力場(chǎng)影響時(shí)間和距離的測(cè)量. 廣義相對(duì)論:愛(ài)因斯坦的基于科學(xué)定律對(duì)所有的觀察者(而不管他們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)的)必須是相同的觀念的理論。它將引力按照四維空間—時(shí)間的曲率來(lái)解釋。
廣義相對(duì)論(General Relativity?)是愛(ài)因斯坦于1915年以幾何語(yǔ)言建立而成的引力理論,統(tǒng)合了狹義相對(duì)論和牛頓的萬(wàn)有引力定律,將引力改描述成因時(shí)空中的物質(zhì)與能量而彎曲的時(shí)空,以取代傳統(tǒng)對(duì)于引力是一種力的看法。因此,狹義相對(duì)論和萬(wàn)有引力定律,都只是廣義相對(duì)論在特殊情況之下的特例。
狹義相對(duì)論是在沒(méi)有重力時(shí)的情況;而萬(wàn)有引力定律則是在距離近、引力小和速度慢時(shí)的情況。 背景 愛(ài)因斯坦在1907年發(fā)表了一篇探討光線在狹義相對(duì)論中,重力和加速度對(duì)其影響的論文,廣義相對(duì)論的雛型就此開(kāi)始形成。
1912年,愛(ài)因斯坦發(fā)表了另外一篇論文,探討如何將重力場(chǎng)用幾何的語(yǔ)言來(lái)描述。至此,廣義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)學(xué)出現(xiàn)了。
到了1915年,愛(ài)因斯坦場(chǎng)方程式被發(fā)表了出來(lái),整個(gè)廣義相對(duì)論的動(dòng)力學(xué)才終于完成。 1915年后,廣義相對(duì)論的。
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