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物理學與人類文明,盛正卯 浙江大學物理系 2012年11月 ,1,第十一講 相對論時空觀 在建立相對論過程中的思維方式,2,4.8 相對論的時空觀,牛頓的絕對時空觀認為時間和空間是絕對的、均勻的，相互獨立的。 根據(jù)相對論,時間和空間是相對的。即在不同的參照系時間是不同的，物體的形狀，質量等都是不同的 “橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同?！?（蘇軾題西林壁）,3,時間和空間是相互關聯(lián)的,一個參照系中的所有鐘都校準了，即相互同步的，在另一參照系看這些不同地點的鐘都不同步了。,4,四維時空中的“不變論”,相對論（relativity）不同于“公說公有理，婆說婆有理。”沒有是非標準的相對主義（relativism）的理論。 尋求不同參照系中各觀測量之間的聯(lián)系，重點是不同參照系中的共性，即所謂的“不變性” 真空中的光速在不同參照系中是不變的，物理規(guī)律的數(shù)學形式在不同參照系中是一樣的。,5,時間是相對的 空間也是相對的 時間與空間是相互關聯(lián)的 時空會改變物體的形狀、質量、運動狀態(tài)等“內在的特性”,狹義相對論有關時空的結論,6,時空會影響物質的“內在的特性” ！ 物質也會反過來改變時空! 時間與空間不僅是相對的、相互關聯(lián)的 而且與物質存在有關，與觀察者的運動狀態(tài)有關,7,8,9,10,11,4.9 相對論: 演繹法的典范,12,理 論 實 驗,科學方法,13,實 驗,模 擬,理 論,14,Developing Theories,The goal of theory is to integrate as many observations of nature as possible under one conceptual umbrella,15,16,現(xiàn)代科學理論的建立過程中不可缺少的思維方法： 歸納法（常用） 演繹法 （重要）,17,歸納法,從特殊到一般的邏輯推理過程。 即通過對大量的、個別的、特殊的現(xiàn)象或者體系的研究、觀察，找出它們的共性或者共同滿足的規(guī)律。 在經典物理學以及其他學科的研究過程中大量使用的是歸納法。通過對大量現(xiàn)象的研究,歸納出一些經驗公式、經驗定律等，然后通過對大量經驗公式、定律進行歸納總結得出一套理論。 其特點是以感性認識為基礎，結論往往直觀、容易被人接受。,18,演繹法,從一般到特殊的邏輯過程。 即從一般的原理推知某個從屬于該類事物的特殊事物的新知。 它一般由大前提、小前提和特殊結論三部分構成。 例如：任意三角形的三個內角之和為180度（大前提），直角三角形是三角形的一種（特殊條件，小前提），所以直角三角形的三個內角之和一定為180度（特殊結論）。 演繹法的特點是過程抽象，但邏輯關系嚴密，結論有時會出人意料。,19,演繹法,通過演繹法建立科學理論的關鍵是大前提或者說一般原理的獲得。 愛因斯坦的狹義相對論是以相對性原理和光速不變原理為大前提的；廣義相對論則以廣義協(xié)變原理和等效原理為大前提。 相對論的基本原理是從更高層次的基本理念出發(fā)的假設，是在極少量的實驗事實的啟發(fā)下，依據(jù)其對世界、宇宙的認識理念（如世界的可認識性、客觀規(guī)律的簡單性、對稱性或美學原則等）得出的。,20,建立相對論的邏輯過程： 少量的事實啟示 基本原理 + 基本理念 邏輯推理 實驗可檢驗 對推論作 的推論 實驗檢驗 證實或證偽理論,21,大膽假設， 演繹推理， 小心求證。,22,2004年9月3日，著名華裔物理學家、諾貝爾物理學獎獲得者楊振寧教授在北京人民大會堂召開的 “2004文化高峰論壇”上，以“易經對中華文化的影響”為題作了報告。提出觀點稱“易經影響了中華文化的思維方式，而這個影響是近代科學沒有在中國萌芽的重要原因之一”。,23,楊先生的報告主要集中于三點： 第一、易經影響了中華文化中的思維方式，而這個影響是近代科學沒有在中國萌芽的重要原因之一。 第二、易經是漢語成為單音語言的原因之一。 第三、易經影響了中華文化的審美觀念。,24,楊振寧：“天人合一”和推演法的欠缺阻礙科學誕生 楊振寧把近代科學沒有在中國萌生的原因放在他論題的首位。 原因歸結為五點： 第一，中國的傳統(tǒng)是入世的，不是出世的。 換句話就是比較注重實際的，不注重抽象的理論架構。 第二，科舉制度。 第三，觀念上認為技術不重要，認為是“奇技淫巧”。 第四，中國傳統(tǒng)里面無推演式的思維方法。 第五，有天人合一的觀念。 楊振寧認為，其中第四點和第五兩點跟易經有著密切的關系。,25,中國的傳統(tǒng)是入世的，不是出世的例子之一是天文學。 直到18世紀、19世紀中國大部分人還認為大地是平的。 Anaximander（BC 610-545)等認為地是薄薄的圓片，漂浮在空氣的旋渦里，孤立在球狀宇宙的中心。 Pythagoras (BC580-500)等，首先發(fā)現(xiàn)地是球形的。 方法1：出去的船在地平線處桅桿隱沒。 方法2：人向南行，南天的星上升， 北天 的星下沉。,26,經典物理學、量子物理學的建立更多地應用了歸納法 相對論主要應用了演繹法 其原理、結論不是很直觀，但更具超前性，更具震撼力 歸納與演繹的結合能達到事半功倍的效果,27,思考題,有一列列車靜止時的長度比一個隧道的長度要長。當它高速通過該隧道時, 有兩道閃電同時打在隧道的兩端，由于相對論效應，長度收縮到短于隧道的長度，因此使得站在列車兩端的兩個人都躲過了閃電的傷害。但運動是相對的，在列車上的人看來，隧道在向反方向運動，那么現(xiàn)在問：在列車上的人看來，列車兩端上的人能躲過閃電的傷害嗎？,28,29,若僅僅考慮廣義相對論效應，全球定位衛(wèi)星上的鐘與地面上的鐘（假設兩個鐘是完全一樣的）比較，那一個走得快些？ 人的生命是有限的（假設為100年），而根據(jù)相對論任何一個有質量的物體，其運行速度都不可能超過光速，那么是否意味著我們在一生中不可能走出100光年的范圍？為什么？ 4. 想象一下有限無邊的空間，能舉出1-2個例子嗎？,30,5. 乘坐0.99996247倍光速宇宙飛船航行,則宇航員的一天,在地球上的人們看來就相當于一年。那么地球上人們的一天，在宇航員看來相當于多長？ 6. 在接近光速航行的飛船上向前發(fā)出一束光，在地球上的人們