物理與人類文明chapter43課件

第十一講

相對論時(shí)空觀

在建立相對論過程中的思維方式1第十一講

相對論時(shí)空觀

在建立相對論過程中的思維方式114.8相對論的時(shí)空觀牛頓的絕對時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對的、均勻的，相互獨(dú)立的。根據(jù)相對論,時(shí)間和空間是相對的。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)近高低各不同?！保ㄌK軾《題西林壁》）24.8相對論的時(shí)空觀牛頓的絕對時(shí)空觀認(rèn)為時(shí)間和空間是絕2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。3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3四維時(shí)空中的“不變論”相對論（relativity）不同于“公說公有理，婆說婆有理?！睕]有是非標(biāo)準(zhǔn)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(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。4四維時(shí)空中的“不變論”相對論（relativity）不同于“4時(shí)間是相對的空間也是相對的時(shí)間與空間是相互關(guān)聯(lián)的時(shí)空會(huì)改變物體的形狀、質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等“內(nèi)在的特性”狹義相對論有關(guān)時(shí)空的結(jié)論5時(shí)間是相對的狹義相對論有關(guān)時(shí)空的結(jié)論55

時(shí)空會(huì)影響物質(zhì)的“內(nèi)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)

6時(shí)空會(huì)影響物質(zhì)的“內(nèi)在的特性”！66Theoldestpicture7Theoldestpicture77SantaBarbara,19338SantaBarbara,193388Violin,19419Violin,194199194510194510104.9相對論:演繹法的典范114.9相對論:演繹法的典范1111理論實(shí)驗(yàn)科學(xué)方法

12理論科學(xué)方法1212實(shí)驗(yàn)?zāi)M理論13實(shí)驗(yàn)?zāi)M理論1313DevelopingTheoriesThegoaloftheoryistointegrateasmanyobservationsofnatureaspossibleunderoneconceptualumbrella14DevelopingTheoriesThegoal14151515現(xiàn)代科學(xué)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）16現(xiàn)代科學(xué)理論的建立過程中不可缺少的思維方法：1616歸納法

從特殊到一般的邏輯推理過程。即通過對大量的、個(gè)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(jīng)典物理學(xué)以及其他學(xué)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(jīng)驗(yàn)公式、經(jīng)驗(yàn)定律等，然后通過對大量經(jīng)驗(yàn)公式、定律進(jìn)行歸納總結(jié)得出一套理論。其特點(diǎn)是以感性認(rèn)識為基礎(chǔ)，結(jié)論往往直觀、容易被人接受。

17歸納法從特殊到一般的邏輯推理過程。1717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(gè)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(jié)論三部分構(gòu)成。例如：任意三角形的三個(gè)內(nèi)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(gè)內(nèi)角之和一定為180度（特殊結(jié)論）。演繹法的特點(diǎn)是過程抽象，但邏輯關(guān)系嚴(yán)密，結(jié)論有時(shí)會(huì)出人意料。18演繹法從一般到特殊的邏輯過程。1818演繹法

通過演繹法建立科學(xué)理論的關(guān)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(shè)，是在極少量的實(shí)驗(yàn)事實(shí)的啟發(fā)下，依據(jù)其對世界、宇宙的認(rèn)識理念（如世界的可認(rèn)識性、客觀規(guī)律的簡單性、對稱性或美學(xué)原則等）得出的。

19演繹法通過演繹法建立科學(xué)理論的關(guān)鍵是大前提或者說一般原理的19建立相對論的邏輯過程：少量的事實(shí)啟示基本原理+基本理念邏輯推理實(shí)驗(yàn)可檢驗(yàn)對推論作的推論實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)證實(shí)或證偽理論20建立相對論的邏輯過程：2020大膽假設(shè)，演繹推理，小心求證。

21大膽假設(shè)，21212004年9月3日，著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊振寧教授在北京人民大會(huì)堂召開的“2004文化高峰論壇”上，以“《易經(jīng)》對中華文化的影響”為題作了報(bào)告。提出觀點(diǎn)稱“易經(jīng)影響了中華文化的思維方式，而這個(gè)影響是近代科學(xué)沒有在中國萌芽的重要原因之一”。222004年9月3日，著名華裔物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)獲得者楊22楊先生的報(bào)告主要集中于三點(diǎn)：

第一、《易經(jīng)》影響了中華文化中的思維方式，而這個(gè)影響是近代科學(xué)沒有在中國萌芽的重要原因之一。第二、《易經(jīng)》是漢語成為單音語言的原因之一。第三、《易經(jīng)》影響了中華文化的審美觀念。23楊先生的報(bào)告主要集中于三點(diǎn)：2323楊振寧：“天人合一”和推演法的欠缺阻礙科學(xué)誕生楊振寧把近代科學(xué)沒有在中國萌生的原因放在他論題的首位。原因歸結(jié)為五點(diǎn)：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(shí)際的，不注重抽象的理論架構(gòu)。第二，科舉制度。第三，觀念上認(rèn)為技術(shù)不重要，認(rèn)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(rèn)為，其中第四點(diǎn)和第五兩點(diǎn)跟《易經(jīng)》有著密切的關(guān)系。24楊振寧：“天人合一”和推演法的欠缺阻礙科學(xué)誕生2424中國的傳統(tǒng)是入世的，不是出世的例子之一是天文學(xué)。直到18世紀(jì)、19世紀(jì)中國大部分人還認(rèn)為大地是平的。Anaximander（BC610-545)等認(rèn)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。

25中國的傳統(tǒng)是入世的，不是出世的例子之一是天文學(xué)。2525經(jīng)典物理學(xué)、量子物理學(xué)的建立更多地應(yīng)用了歸納法相對論主要應(yīng)用了演繹法其原理、結(jié)論不是很直觀，但更具超前性，更具震撼力歸納與演繹的結(jié)合能達(dá)到事半功倍的效果26經(jīng)典物理學(xué)、量子物理學(xué)的建立更多地應(yīng)用了歸納法2626思考題有一列列車靜止時(shí)的長度比一個(gè)隧道的長度要長。當(dāng)它高速通過該隧道時(shí),有兩道閃電同時(shí)打在隧道的兩端，由于相對論效應(yīng)，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(gè)人都躲過了閃電的傷害。但運(yùn)動(dòng)是相對的，在列車上的人看來，隧道在向反方向運(yùn)動(dòng)，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？27思考題有一列列車靜止時(shí)的長度比一個(gè)隧道的長度要長。當(dāng)它高速通27282828若僅僅考慮廣義相對論效應(yīng)，全球定位衛(wèi)星上的鐘與地面上的鐘（假設(shè)兩個(gè)鐘是完全一樣的）比較，那一個(gè)走得快些？人的生命是有限的（假設(shè)為100年），而根據(jù)相對論任何一個(gè)有質(zhì)量的物體，其運(yùn)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(gè)例子嗎？29若僅僅考慮廣義相對論效應(yīng)，全球定位衛(wèi)星上的鐘與地面上的鐘（假295.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(dāng)于一年。那么地球上人們的一天，在宇航員看來相當(dāng)于多長？6.在接近光速航行的飛船上向前發(fā)出一束光，在地球上的人們看來，此束光速度為多大？305.乘坐0.999