我心中的相對(duì)論

我心中的相對(duì)論第1頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六Doyouunderstand？相對(duì)論的背景

什么是相對(duì)論相對(duì)論的作用第2頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六相對(duì)論產(chǎn)生背景歷史背景及重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)

19世紀(jì)末期物理學(xué)家湯姆遜在一次國(guó)際會(huì)議上講到“物理學(xué)大廈已經(jīng)建成，以后的工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷”。但是，他話鋒一轉(zhuǎn)又說(shuō)：“大廈上空還漂浮著兩朵‘烏云’，麥克爾遜－莫雷試驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難。”正是為了解決上述兩問(wèn)題，物理學(xué)發(fā)生了一場(chǎng)深刻的革命導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力早在電動(dòng)力學(xué)麥克斯韋方程建立之日，人們就發(fā)現(xiàn)它沒(méi)有涉及參照系問(wèn)題。人們利用經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空理論討論電動(dòng)學(xué)方程，發(fā)現(xiàn)在伽利略變換下麥克斯韋方程及其導(dǎo)出的方程（如亥姆霍茲，達(dá)朗貝爾等方程）在不同慣性系下形式不同，這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)怎樣解釋？經(jīng)過(guò)幾十年的探索，在1905年終于由愛(ài)因斯坦創(chuàng)建了狹義相對(duì)論。相對(duì)論是一個(gè)時(shí)空理論，要理解狹義相對(duì)論時(shí)空理論先要了解經(jīng)典時(shí)空理論的內(nèi)容。所以要認(rèn)真看以下的內(nèi)容，有利于對(duì)相對(duì)論的理解。第3頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六相對(duì)論的概述相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論，主要由阿爾伯特·愛(ài)因斯坦(AlbertEinstein)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)是相對(duì)性原理，即物理定律與參照系的選擇無(wú)關(guān)。狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的區(qū)別是，前者討論的是勻速直線運(yùn)動(dòng)的參照系（慣性參照系）之間的物理定律，后者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設(shè)下，廣泛應(yīng)用于引力場(chǎng)中。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。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)的物體和微觀領(lǐng)域。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。第4頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

相對(duì)論顛覆了人類對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“時(shí)間和空間的相對(duì)性”、“四維時(shí)空”、“彎曲空間”等全新的概念。狹義相對(duì)論提出于1905年，廣義相對(duì)論提出于1915年[愛(ài)因斯坦在1915年末完成廣義相對(duì)論的創(chuàng)建工作，在1916年初正式發(fā)表相關(guān)論文。由于牛頓定律給狹義相對(duì)論提出了困難，即任何空間位置的任何物體都要受到力的作用。因此，在整個(gè)宇宙中不存在慣性觀測(cè)者。愛(ài)因斯坦為了解決這一問(wèn)題又提出了廣義相對(duì)論。狹義相對(duì)論最著名的推論是質(zhì)能公式，它說(shuō)明了質(zhì)量隨能量的增加而增加。第5頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六

相對(duì)論與原子彈的關(guān)系相對(duì)論最著名的婦孺皆知的方程式就是“相對(duì)論質(zhì)能方程”。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：E=mc2（E能量m質(zhì)量c光速）由于c的平方是一個(gè)很大的數(shù)，所以一個(gè)很小的質(zhì)量都可以爆發(fā)出很大的質(zhì)量。它的一項(xiàng)后果是意識(shí)到，如果鈾原子核裂變成總質(zhì)量稍小的兩個(gè)核，就會(huì)釋放出巨大的能量，即核裂變，這也是原子彈的能量釋放的原理。1993年第二次世界大戰(zhàn)以迫在眉睫，眾多意識(shí)到這些含義的科學(xué)家說(shuō)服愛(ài)因斯坦克服其和平主義原則，以他的權(quán)威給羅斯福總統(tǒng)寫了一封信，要求美國(guó)開(kāi)始核研究計(jì)劃。這就導(dǎo)致了曼哈頓計(jì)劃并制造出于1945年在日本廣島和長(zhǎng)崎的原子彈。有人將原子彈歸咎于愛(ài)因斯坦發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能方程，但是這和把飛機(jī)失事歸咎于牛頓發(fā)現(xiàn)引力很類似。愛(ài)因斯坦本人沒(méi)有參與曼哈頓計(jì)劃，并且為投擲原子彈而感到震撼。可見(jiàn)，原子彈的爆炸，質(zhì)能方程是它的最基本理論。第6頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六相對(duì)論的悖論

讓我們一起思考假設(shè)你在房間里，我在高速火車上，我有個(gè)遙控器，可以控制你房間里面的電飯煲，你只要告訴我你要吃什么，我就可以用遙控器控制電飯煲做什么；假設(shè)我的遙控器和你告訴我吃什么的通信是超光速的。由于我是在高速列車上，依據(jù)相對(duì)論原理在你的參照系下看我的時(shí)間是收縮的，也就是說(shuō)我的時(shí)間在8點(diǎn)30的時(shí)候你的時(shí)間可能是在9點(diǎn)了，你九點(diǎn)的時(shí)候向我發(fā)出你要吃稀飯的命令，我用遙控器控制電飯煲做稀飯的時(shí)間是在八點(diǎn)半，也就是說(shuō)你還沒(méi)有發(fā)命令電飯煲已經(jīng)在做稀飯了！超光速回到了過(guò)去，這違背了因果論，如果你相信因果論，就絕對(duì)會(huì)認(rèn)為這是不可能的！第7頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六同時(shí)的相對(duì)性我們?cè)O(shè)想一個(gè)高速運(yùn)行的列車，它的速度接近光速。列車通過(guò)站臺(tái)時(shí)，甲站在站臺(tái)上，有兩道閃電在甲眼前閃過(guò)，一道在火車前端，一道在后端，并在火車兩端及平臺(tái)的相應(yīng)部位留下痕跡，通過(guò)測(cè)量，甲與列車兩端的間距相等，得出的結(jié)論是，甲是同時(shí)看到兩道閃電的。因此對(duì)甲來(lái)說(shuō)，收到的兩個(gè)光信號(hào)在同一時(shí)間間隔內(nèi)傳播同樣的距離，并同時(shí)到達(dá)他所在位置，這兩起事件必然在同一時(shí)間發(fā)生，它們是同時(shí)的。但對(duì)于在列車內(nèi)部正中央的乙，情況則不同，因?yàn)橐遗c高速運(yùn)行的列車一同運(yùn)動(dòng)，因此他會(huì)先截取向著他傳播的前端信號(hào)，然后收到從后端傳來(lái)的光信號(hào)。對(duì)乙來(lái)說(shuō)，這兩起事件是不同時(shí)的?！钡矣X(jué)得有問(wèn)題，對(duì)乙來(lái)說(shuō)，它與車兩端距離相等，且光速不變，那乙應(yīng)同時(shí)看到兩個(gè)閃電的。第8頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六狹義相對(duì)論的時(shí)空觀該節(jié)將從洛侖茲變換出發(fā)，討論長(zhǎng)度、時(shí)間、同時(shí)性等概念，從所得結(jié)果可以清楚認(rèn)識(shí)到狹義相對(duì)論對(duì)經(jīng)典的時(shí)空觀進(jìn)行了十分深刻的變革。長(zhǎng)度的相對(duì)性如圖，有一固有長(zhǎng)度為L(zhǎng)0的棒，相對(duì)S′系靜止，現(xiàn)在S系對(duì)棒同時(shí)測(cè)量，即t1=t2。uy′yxx′SS′L0L0L00OO′第9頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六因t1=t2，棒在S系的長(zhǎng)度L=x2-x1，在S′L0=x2′-x1′說(shuō)明：L<L0說(shuō)明在相對(duì)棒運(yùn)動(dòng)的參照系中測(cè)得的長(zhǎng)度要比它的固有長(zhǎng)度短。這就是相對(duì)論的長(zhǎng)度收縮效應(yīng)。該效應(yīng)不是一種機(jī)械效應(yīng)，物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)不會(huì)因時(shí)空的變換而改變。

第10頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六總結(jié)狹義相對(duì)論總結(jié)：

狹義相對(duì)論的基本假設(shè)是真空光速的傳播定律與狹義相對(duì)性原理，愛(ài)因斯坦用了很大篇幅來(lái)把這兩個(gè)基本假設(shè)在經(jīng)典力學(xué)那里的抵觸消滅，只要拋棄絕對(duì)時(shí)空觀，這兩個(gè)基本假設(shè)就相容了。

狹義相對(duì)論的另一個(gè)重要假設(shè)是空間是平直的，即滿足歐幾里得幾何學(xué)。

狹義相對(duì)論的幾個(gè)基本推論都是按洛倫茲變換推導(dǎo)的；洛倫茲變換是以真空光速的傳播定律為前提推導(dǎo)得到的。這幾個(gè)基本推論揭示了空間（x,y,z)和時(shí)間（t)不是相互獨(dú)立的，是相互聯(lián)系的，同時(shí)揭示了坐標(biāo)系的選取對(duì)同一事件的描述會(huì)造成影響的。

狹義相對(duì)論是以電動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)、洛倫茲坐標(biāo)系為參考系來(lái)討論的。

經(jīng)典力學(xué)是以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)、伽利略坐標(biāo)系為參考系來(lái)討論的，經(jīng)典力學(xué)實(shí)質(zhì)是物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于真空光速時(shí)的狹義相對(duì)論。日常生活中經(jīng)典力學(xué)足以解釋日常生活的物理現(xiàn)象。

狹義相對(duì)論還提到“自然是四維的”。

第11頁(yè)，共12頁(yè)，2023年，2月20日，星期六廣義相對(duì)論總結(jié)：

廣義相對(duì)性原理：對(duì)于一切高斯坐標(biāo)系，所有物理定律都適用。

廣義相對(duì)論是從伽利略坐標(biāo)系向高斯坐標(biāo)系拓展討論，從無(wú)引力場(chǎng)影響的討論到有引力場(chǎng)影響的討論。

廣義相對(duì)論的幾何基礎(chǔ)是黎曼幾何學(xué)。

廣義相對(duì)論的幾個(gè)推論是光傳播路線彎曲和光譜上譜線有位移以及狹義相對(duì)論的推論都能從廣義相對(duì)論中推出，這些推論是以引力場(chǎng)的影響為基礎(chǔ)來(lái)推導(dǎo)的。

廣義相對(duì)