物理學(xué)及人類文明選修課

-z.物理學(xué)與人類文明論文——淺析相對(duì)論與現(xiàn)代時(shí)空觀學(xué)生：云藝所在學(xué)院：管理學(xué)院專業(yè)年級(jí)：工商管理111班學(xué)生**：1111010141指導(dǎo)教師:唐延林教師2013年12月13日摘要物理學(xué)是一門探究一切物質(zhì)的組成及運(yùn)動(dòng)規(guī)律提醒它們之間的聯(lián)系和各種運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系的廣博而豐富的學(xué)問。作為自然科學(xué)的一門重要根底科學(xué)，物理學(xué)歷來是人類物質(zhì)文明開展的根底和動(dòng)力。物理學(xué)史上最具影響力的理論——相對(duì)論，是一個(gè)關(guān)于時(shí)空和引力的根本理論，主要由阿爾伯特·愛因斯坦(AlbertEinstein)創(chuàng)立，相對(duì)論和量子力學(xué)的提出給物理學(xué)帶來了革命性的變化，共同奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的根底。在本文中，筆者將從狹義相對(duì)論、廣義相對(duì)論的相關(guān)原理和現(xiàn)代時(shí)空觀以及他們?cè)诋?dāng)今社會(huì)中的巨大影響方面，來論述“相對(duì)論與現(xiàn)代時(shí)空觀〞，筆者初次題寫物理學(xué)類文章，多有缺乏之處，望廣闊讀者朋友們海涵。關(guān)鍵字：相對(duì)性原理光速不變?cè)淼刃г硭木S時(shí)空的不變論狹義相對(duì)論廣義相對(duì)論現(xiàn)代時(shí)空觀洛倫茲變換目錄一、前言....................................................................1二、相對(duì)論的概念............................................................1三、狹義的相對(duì)論............................................................31、狹義相對(duì)論概念.......................................................32、狹義相對(duì)論的提出背景.................................................33、狹義相對(duì)論的根本原理.................................................44、狹義相對(duì)論的主要結(jié)論.................................................55、四維時(shí)空中的不變量...................................................66、質(zhì)能關(guān)系、質(zhì)能轉(zhuǎn)化...................................................6四、新引力理論——廣義相對(duì)論................................................71、廣義相對(duì)論概念.......................................................72、廣義相對(duì)論的根本原理.................................................83、廣義相對(duì)論的主要結(jié)論及一些預(yù)言.......................................94、相對(duì)論的時(shí)光觀.......................................................9五、相對(duì)論對(duì)當(dāng)今社會(huì)的影響.................................................10六、論文小結(jié)...............................................................11附：參考文獻(xiàn)...............................................................13-z.前言時(shí)光飛逝，轉(zhuǎn)眼之間又過了半個(gè)學(xué)期，這半年來，在唐教師兢兢業(yè)業(yè)的教學(xué)下，我們完成了物理學(xué)與人類文明課程的學(xué)習(xí)，臨近期末，是課程完畢的時(shí)候，也是我們的知識(shí)用到實(shí)處的開場階段。還記得教師講授物理學(xué)與人類文明第四章的容——相對(duì)論與現(xiàn)代時(shí)空觀。由于個(gè)人的原因，對(duì)愛因斯坦有著莫名的崇拜，同時(shí)也對(duì)他老人家的相對(duì)論非常感興趣，以至于本人對(duì)這一堂課印象非常深刻。本來就有想寫點(diǎn)東西的想法，再加之教師交給我們完成課程論文撰寫的任務(wù)，同時(shí)我們也務(wù)須對(duì)本次課程的學(xué)習(xí)總結(jié)反思一番，鑒此，筆者作如下小論一篇------淺析相對(duì)論與現(xiàn)代時(shí)空觀。物理學(xué)是一門探究一切物質(zhì)的組成及運(yùn)動(dòng)規(guī)律提醒它們之間的聯(lián)系和各種運(yùn)動(dòng)之間的關(guān)系的廣博而豐富的學(xué)問。作為自然科學(xué)的一門重要根底科學(xué)，物理學(xué)歷來是人類物質(zhì)文明開展的根底和動(dòng)力。同時(shí)作為人類追求真理、探索未知世界奧秘的有力工具，物理學(xué)又是一種哲學(xué)觀和方法論。在人類文明漫長的歲月中，這種古老而又生機(jī)勃勃的學(xué)科為我們?cè)炀土艘粋€(gè)又一個(gè)光芒的里程碑。物理學(xué)對(duì)科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)力的開展起著最直接地推動(dòng)作用，幾次工業(yè)革命便是最好的驗(yàn)證。其都是由于物理學(xué)深刻地提醒了自然規(guī)律，構(gòu)成了認(rèn)識(shí)自然、改造自然的巨大力量，為科技開展提供了方法和技能。近一個(gè)世紀(jì)以來，物理學(xué)又有了嶄新的進(jìn)展，帶來相應(yīng)的新技術(shù)革命。二、相對(duì)論的概念相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的根本理論，主要由阿爾伯特·愛因斯坦(AlbertEinstein)創(chuàng)立，依據(jù)研究的對(duì)象不同分為狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論。相對(duì)論和量子力學(xué)的提出給物理學(xué)帶來了革命性的變化，共同奠定了現(xiàn)代物理學(xué)的根底。相對(duì)論極改變了人類對(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〞、“彎曲時(shí)空〞等全新的概念。狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論建立以來，已經(jīng)過去了很長時(shí)間，它經(jīng)受住了實(shí)踐和歷史的考驗(yàn)，是人們普遍成認(rèn)的真理。相對(duì)論對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)的開展和現(xiàn)代人類思想的開展都有巨大的影響。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)性原理的根底上統(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)變的根底上，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)變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級(jí)近似。這就從根本上解決了以前物理學(xué)只限于慣性系數(shù)的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對(duì)論嚴(yán)格地考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這些物理學(xué)的根本概念，給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學(xué)在邏輯上成為完美的科學(xué)體系。三、狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論的概念狹義相對(duì)論，是只限于討論慣性系情況的相對(duì)論。牛頓時(shí)空觀認(rèn)為空間是平直的、各向同性的和各點(diǎn)同性的的三維空間——絕對(duì)空間，時(shí)間是獨(dú)立于空間的單獨(dú)一維〔因而也是絕對(duì)的〕，即絕對(duì)時(shí)空觀。狹義相對(duì)論認(rèn)為空間和時(shí)間并不相互獨(dú)立，而是一個(gè)統(tǒng)一的四維時(shí)空整體，并不存在絕對(duì)的空間和時(shí)間。在狹義相對(duì)論中，整個(gè)時(shí)空仍然是平直的、各向同性的和各點(diǎn)同性的，這是一種對(duì)應(yīng)于“全局慣性系〞的理想狀況。狹義相對(duì)論將真空中光速為常數(shù)作為根本假設(shè)，結(jié)合狹義相對(duì)性原理和上述時(shí)空的性質(zhì)可以推出洛侖茲變換。狹義相對(duì)論的提出背景在19世紀(jì)末，人們知道光速是有限的，在測量光速時(shí)發(fā)現(xiàn)，木星衛(wèi)星發(fā)出的光，到達(dá)地球的時(shí)間是一樣的，而不管地球是朝向衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)還是背向衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)。這不符合物體運(yùn)動(dòng)的速度疊加原理〔A參照系相對(duì)于B參照系速度為v1,A上發(fā)出相對(duì)A速度為V2的物體，物體相對(duì)于B速度為V1+V2〕，而符合波的性質(zhì)，因?yàn)楫?dāng)時(shí)的所有波都有介質(zhì)，因此人們假設(shè)光也有介質(zhì)，定名為“以太〞，光在以太中穩(wěn)定傳播，所以與地球的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。

由于地球并非宇宙中的特殊天體，以太應(yīng)該對(duì)地球有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而著名的邁克耳〔A.A.Michelson〕和莫雷〔E.W.Morley〕實(shí)驗(yàn)證明了相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)的以太不存在，也就是說，如果存在以太，以太就是對(duì)地球靜止的，這里和一些人認(rèn)為的證明了以太不存在，表達(dá)上有一點(diǎn)點(diǎn)區(qū)別。1905年，愛因斯坦提出兩條假設(shè)：

1。相對(duì)性原理：物理學(xué)在一切慣性參考系中都具有一樣的數(shù)學(xué)表達(dá)形式，也就是說，所有慣性系對(duì)于描述物理現(xiàn)象都是等價(jià)的。〔夠絕對(duì)的〕

2。光速不變?cè)恚涸诒舜讼鄬?duì)作勻速直線運(yùn)動(dòng)的任一慣性參考系中，所測得的光在真空中的傳播速度都是相等的。1964年到1966年，歐洲核子中心〔CERN〕在質(zhì)子同步加速器中作了有關(guān)光速的精細(xì)實(shí)驗(yàn)測量，直接驗(yàn)證了光速不變?cè)?。?shí)驗(yàn)結(jié)果是，在同步加速器中產(chǎn)生的一種介子〔寫法是派的0次方〕以0.99975c的高速飛行，它在飛行中發(fā)生衰變，輻射出能量為6000000000eV的光子，測得光子的實(shí)驗(yàn)室速度仍是c。狹義相對(duì)論的根本原理相對(duì)性原理——所有的物理規(guī)律在不同的慣性參照系中均一樣。光速不變?cè)怼庠谡婵罩械膫鞑ニ俣?，在所有慣性參照系中均一樣。狹義相對(duì)論的主要結(jié)論同時(shí)的相對(duì)性在車廂上同時(shí)發(fā)生的兩件事，在地面上看來并不同時(shí)發(fā)生。同時(shí)性具有相對(duì)性?！?〕時(shí)間延緩長度縮短說明空間也是相對(duì)的，在不同參照系有不同的空間構(gòu)造。在一個(gè)參照系看物體是一個(gè)正方體，在另一個(gè)參照系可能是長方體；在一個(gè)參照系是球形，在另一個(gè)參照系卻是扁球形的。說明物體的形狀是相對(duì)的。四維時(shí)空中的不變量狹義相對(duì)論中，距離和時(shí)間在不同的參照系是不同的。然而是四維時(shí)空中的不變量。說明時(shí)間和空間不是獨(dú)立的，相互間存在聯(lián)系！質(zhì)能關(guān)系、質(zhì)能轉(zhuǎn)化質(zhì)能關(guān)系在化學(xué)反響中，例如氫與氧結(jié)合生成水，水的質(zhì)量等于參加反響的氫和氧的質(zhì)量之和。在反響中放出的熱量，被認(rèn)為是氫和氧原子中儲(chǔ)存的化學(xué)能，在整個(gè)反響過程中，能量和質(zhì)量分別守恒。愛因斯坦要使物體運(yùn)動(dòng)定律既滿足光速不變和相對(duì)性原理，又要求低速下與牛頓定律一致，得到了一個(gè)令人意外的結(jié)果：物質(zhì)可以轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)能量，能量也可轉(zhuǎn)化為物質(zhì)。物質(zhì)與能量相互等價(jià)質(zhì)量包括靜止質(zhì)量和運(yùn)動(dòng)質(zhì)量靜止質(zhì)量可以轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)質(zhì)量：如正負(fù)粒子相互湮滅成光子，而光子只有運(yùn)動(dòng)質(zhì)量沒有靜止質(zhì)量.反之亦然。質(zhì)能轉(zhuǎn)化氫與氧結(jié)合生成水時(shí)放出的熱量來源于氫與氧的質(zhì)量和與水的質(zhì)量之差〔也稱質(zhì)量虧損〕。化學(xué)反響的質(zhì)量虧損比例約為一千億分之一到十億分之一。核反響的比例約為一萬分之一到一千分之一。50克物質(zhì)全部轉(zhuǎn)化為能量，可將西湖中的所有水加熱到沸騰。新的引力論——廣義相對(duì)論1、廣義相對(duì)論的概念廣義相對(duì)論是愛因斯坦在1915年發(fā)表的理論。愛因斯坦提出“等效原理〞，即引力和慣性力是等效的。這一原理建立在引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的等價(jià)性上(目前實(shí)驗(yàn)證實(shí),在10?12的準(zhǔn)確度圍,仍沒有看到引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的差異)。根據(jù)等效原理，愛因斯坦把狹義相對(duì)性原理推廣為廣義相對(duì)性原理，即物理定律的形式在一切參考系都是不變的。物體的運(yùn)動(dòng)方程即該參考系中的測地線方程。測地線方程與物體自身故有性質(zhì)無關(guān)，只取決于時(shí)空局域幾何性質(zhì)。而引力正是時(shí)空局域幾何性質(zhì)的表現(xiàn)。物質(zhì)質(zhì)量的存在會(huì)造成時(shí)空的彎曲，在彎曲的時(shí)空中，物體仍然順著最短距離進(jìn)展運(yùn)動(dòng)(即沿著測地線運(yùn)動(dòng)——在歐氏空間中即是直線運(yùn)動(dòng))，如地球在太陽造成的彎曲時(shí)空中的測地線運(yùn)動(dòng)，實(shí)際是繞著太陽轉(zhuǎn)，造成引力作用效應(yīng)。正如在彎曲的地球外表上，如果以直線運(yùn)動(dòng)，實(shí)際是繞著地球表。廣義相對(duì)論的根本原理廣義協(xié)變?cè)碜匀灰?guī)律對(duì)于任何參照系而言都應(yīng)具有一樣的數(shù)學(xué)形式。等效原理勻加速參照系可與均勻引力場中靜止的參照系等效。比薩斜塔實(shí)驗(yàn)m引＝m慣廣義相對(duì)論的主要結(jié)論及一些預(yù)言結(jié)論引力大的地方時(shí)間過得慢；引力導(dǎo)致空間彎曲。預(yù)言恒星光的引力偏轉(zhuǎn)；雷達(dá)回波延遲；水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)。相對(duì)論的時(shí)光觀牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的、均勻的，相互獨(dú)立的；根據(jù)相對(duì)論,時(shí)間和空間是相對(duì)的。即在不同的參照系時(shí)間是不同的，物體的形狀，質(zhì)量等都是不同的；“橫看成嶺側(cè)成峰，遠(yuǎn)近上下各不同。〞〔軾?題西林壁?〕時(shí)間和空間是相互關(guān)聯(lián)的。一個(gè)參照系中的所有鐘都校準(zhǔn)了，即相互同步的，在另一參照系看這些不同地點(diǎn)的鐘都不同步了。四維時(shí)空中的“不變論〞相對(duì)論〔relativity〕不同于“公說公有理，婆說婆有理。〞沒有是非標(biāo)準(zhǔn)的相對(duì)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(diǎn)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(xué)形式在不同參照系中是一樣的。時(shí)空會(huì)影響物質(zhì)的“在的特性〞！物質(zhì)也會(huì)反過來改變時(shí)空!時(shí)間與空間不僅是相對(duì)的、相互關(guān)聯(lián)的，而且與物質(zhì)存在有關(guān)，與觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)相對(duì)論對(duì)當(dāng)今社會(huì)的影響從愛因斯坦的相對(duì)論出現(xiàn)后,大家都知道時(shí)間也是相對(duì)的,是和質(zhì)子裂變的速度的比擬.這個(gè)事情推論到人的身體要素上也是成立的.當(dāng)人體機(jī)能所進(jìn)展的分子裂變超過正常的時(shí)候,也就是新代大量造物的時(shí)候,即新造的多而代的少的時(shí)候,則這個(gè)人的體質(zhì)子裂變將明顯超過時(shí)間相對(duì)的質(zhì)子裂變的速度,因此在這個(gè)人的心的心理時(shí)間就會(huì)比外界的正常時(shí)間長.比方小孩子,由于他們的新代旺盛,因此他們的心就我們正常人的時(shí)間感覺長,因此他們表現(xiàn)的好動(dòng).不過這個(gè)心理時(shí)間可以通過人的意念,欲望所控制,因此有些小孩子在很小的時(shí)候就表現(xiàn)的比擬安靜,比擬鎮(zhèn)定,那是他們從心理上把肌體質(zhì)子裂變的比例因子用意念給縮短了.如果這種意念能夠長久的保持和利用,這樣的孩子在成人以后多能表現(xiàn)的臨危不亂,很容易成大事.而且這個(gè)肌體質(zhì)子裂變的,在特定情況下,可以受到臨時(shí)或者外部環(huán)境的影響,比方人在焦慮,憂愁,煩惱,悲傷的時(shí)候,此時(shí)人的體的質(zhì)子裂變劇烈,質(zhì)子的劇烈裂變導(dǎo)致劇烈的心理暗示.這個(gè)心理暗示是在加速質(zhì)子裂變的情況下產(chǎn)生的影響,因此此時(shí)的心理暗示比正常情況下普通的心理暗示強(qiáng)烈的多,因此人們?cè)谖ｋy,憂愁,煩惱前的心理暗示往往是極其劇烈的,劇烈的可以摧毀一個(gè)人的精神支柱,理念信仰.相反的,如果人類利用這個(gè)心理暗示加速自己的戰(zhàn)斗決心和意志力,這將無形的增大這個(gè)人的意志力.就象說"愛情的力量是偉大的",其實(shí)不是愛情有力量,而應(yīng)該是質(zhì)子裂變下心理暗示所造成的能量的累計(jì).因此21世紀(jì)更偉大的生命科學(xué)將從淺層次的人類心理意識(shí)行演變成引導(dǎo)這種心理意識(shí)革命的更偉大的戰(zhàn)斗中去.到那時(shí),人類的很多極限將需要重新譜寫.總結(jié)我們的物理學(xué)有許多的哲理性的解釋、原理和概念，它都可以被借鑒推廣到人類社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)多領(lǐng)域的創(chuàng)新，使我們社會(huì)、個(gè)人安康開展過程中積累智慧，不斷合理前進(jìn)。當(dāng)前不管是社會(huì)、民族、科技都朝著和諧統(tǒng)一的方向開展。愛因斯坦、萊布尼茨、波爾、費(fèi)曼、振寧等世界物理學(xué)大師都很欣賞中國古代的系統(tǒng)而有機(jī)的思維，并試圖用系統(tǒng)的思維方式尋找自然界中各種矛盾理論的大統(tǒng)一理論。愛因斯坦為這一方向做出了前期的奉獻(xiàn)。狹義、廣義相對(duì)論正是統(tǒng)一各前期各學(xué)科理論矛盾后得出的偉大物理理論。他還歷史性地提出“愛因斯坦質(zhì)能方程〞。事實(shí)上這種表現(xiàn)方式在中國的古代就已經(jīng)有了，并且早已成功地運(yùn)用到中醫(yī)學(xué)中。在中醫(yī)學(xué)中，愛因斯坦的“質(zhì)〞被解釋為“血〞，“能〞則被解釋成“氣〞。質(zhì)能的辯證統(tǒng)一，早在兩千多年前的古代中國就已經(jīng)以“氣血〞的辯證理論，為世世代代中國人的安康問題而效勞。

我們?cè)趯W(xué)習(xí)各領(lǐng)域?qū)W科時(shí)，應(yīng)該不忘記與自然、歷史、思想、文化、人類社會(huì)和積極的處世哲學(xué)相聯(lián)系。在學(xué)習(xí)自己的學(xué)科時(shí)，真正成為一個(gè)全面開展的人。綜合以上論述，物理學(xué)自其誕生便作為一門能夠不斷改寫和更新人類文明的學(xué)問而存在并不斷豐富開展著；它對(duì)人類社會(huì)進(jìn)步的奉獻(xiàn)是每一位科學(xué)家有目共睹的。物理學(xué)不僅滿足了人們探索未知世界的好奇心與求知欲，同時(shí)在其理論開展過程中對(duì)工業(yè)科技進(jìn)步及其它自然科學(xué)開展?jié)撘颇仄鹬e足輕重的作用。物理學(xué)的開展，不僅為人類物質(zhì)生產(chǎn)開拓了