相對論(specialrelativity)-愛因斯坦

相對論（specialrelativity）——愛因斯坦

——12物理一班柳菊薈相對論概述

相對論是20世紀物理學(xué)史上最重大的成就之一。包括了狹義相對論和廣義相對論兩部分，狹義相對論顛覆了從牛頓以來形成時空觀，提出了時間和空間統(tǒng)一性和相對性，建立了新的時空觀。廣義相對論把相對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，在相對論建立過程中愛因斯坦起了主要作用。狹義相對論狹義相對論兩條基本理論：相對性原理和光速不變性原理。按照狹義相對論而言，物體運動時質(zhì)量會隨著物體運動速度增大而增大即質(zhì)量的相對性效應(yīng)，同時，空間和時間也會隨物體運動速度變化而變化，即會發(fā)生尺縮效應(yīng)和鐘慢效應(yīng)。由狹義相對性原理還得出了速度相加原理和以及質(zhì)能方程。狹義相對論的本質(zhì)狹義相對論導(dǎo)致了對空間和時間的物理概念的清楚認識，并且由此認識到運動著的量桿和時鐘的行為。它在原則上取消了絕對同時性概念，從而也取消了牛頓所理解的那個即時超距概念。它指出，在處理同光速相比不是小到可忽略的運動時，運動定律必須加以怎樣的修改。它導(dǎo)致了麥克斯韋電磁場方程的形式上的澄清；特別是導(dǎo)致了對電場和磁場本質(zhì)上的統(tǒng)一性的理解。它把動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。從形式的觀點來看，狹義相對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，并且表明以時間作為一方，空間坐標作為另一方，兩者進入自然規(guī)律的形式之間存在著密切的聯(lián)系。廣義相對論廣義相對論兩條基本公設(shè)：等效原理（引力和慣性力等效），廣義相對性原理（所有物體定律在任何參考系中都取相同的形式）。按照廣義相對論，在局部慣性系內(nèi)，不存在引力，一維時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，引力引起時空彎曲，因而時空是四維彎曲的非歐黎曼空間。由廣義相對論原理還得出了物質(zhì)分布影響時空幾何的引力場方程。廣義相對論的實驗驗證水星近日點進動光線在引力場中的彎曲光譜線引力紅移雷達回波延遲引力波脈沖雙星的觀測廣義相對論的意義廣義相對論對于研究天體結(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、引力輻射理論和引力波探測、大爆炸宇宙學(xué)、量子引力以及大尺度時空的拓撲結(jié)構(gòu)等問題的研究正在深入，廣義相對論成為物理研究的重要理論基礎(chǔ)。愛因斯坦生平簡介啊爾伯特·愛因斯坦猶太人，于1879年誕生于德國，1895年遷居瑞士。小時候的他并不顯得才華出眾，中學(xué)沒有畢業(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)補習(xí)過功課。世界十大杰出物理學(xué)家之一，現(xiàn)代物理學(xué)的開創(chuàng)者、集大成者和奠基人。作為20世紀猶太裔理論物理學(xué)家，愛因斯坦創(chuàng)立了相對論——現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱之一（另一個是量子力學(xué)），其質(zhì)能方程E=mc2著稱于世，并因為“對理論物理的貢獻，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。1955年4月18日，愛因斯坦因病逝世。愛因斯坦創(chuàng)立相對論的思想歷程在愛因斯坦16歲時候，他產(chǎn)生了一種想法：如果一個人以光的速度運動，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)的以太問題，但邁克耳遜莫雷實驗卻發(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，但在解釋運動物體的電磁過程時卻發(fā)現(xiàn)，與牛頓力學(xué)所遵從的相對性原理不一致。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。愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經(jīng)過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學(xué)。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的，但是有一個問題使他不安，這就是絕對參照系以太的存在。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都是失敗的。經(jīng)過研究愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒有實際意義。于是他想到：以太絕對參照系是必要的嗎？電磁場一定要有荷載物嗎？這時他一開始懷疑以太存在的必要。愛因斯坦喜歡閱讀哲學(xué)著作，并從哲學(xué)中吸收思想營養(yǎng)，他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性。相對性原理已經(jīng)在力學(xué)中被廣泛證明，卻在電動力學(xué)中卻無法成立，對于物理學(xué)這兩個理論體系在邏輯上的不一致，愛因斯坦提出了懷疑。他認為，相對論原理應(yīng)該普遍成立，因此電磁理論對于各個慣性系應(yīng)該具有同樣的形式，但在這里出現(xiàn)了光速的問題。光速是不變的量還是可變的量，成為相對性原理是否普遍成立的首要問題。1905年5月的一天，愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過反復(fù)思考，終于想明白了問題。第二天，他又來到貝索家，說：謝謝你，我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事：時間沒有絕對的定義，時間與光信號的速度有一種不可分割的聯(lián)系。他找到了開鎖的鑰匙，經(jīng)過五個星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現(xiàn)在人們面前。相對論的意義狹義相對論和廣義相對論建立以來，已經(jīng)過去了很長時間，它經(jīng)受住了實踐和歷史的考驗，是人們普遍承認的真理。相對論對于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代人類思想的發(fā)展都有巨大的影響。相對論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué)，使經(jīng)典物理學(xué)成為一個完美的科學(xué)體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動力學(xué)兩個體系，指出它們都服從狹義相對性原理，都是對洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學(xué)只不過是物體在低速運動下很好的近似規(guī)律。廣義相對論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過等效原理，建立了局域慣性長與普遍參照系數(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