【汇旺担保】相对论

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[拼音]:xiangduilun

[英文]:relativity theory

现代物理学的基础理论之一。分为狭义相对论和广义相对论。它在本质上是关于空间、时间、物质、运动相互之间关系的一种普遍理论。创立者为著名理论物理学家A.爱因斯坦。

狭义相对论

爱因斯坦还发现,要使相对性原理和光速不变原理同时成立,不同的惯性系的空间座标和时间之间就必须存在一种确定的数学关系,即洛伦兹变换。这是适合于伽利略相对性原理变换的一种推广。然而,由伽利略变换联络起来的空间和时间间隔是不变的;而由洛伦兹变换联络起来的空间和时间间隔则随著参照系的相对运动速度而变化。运动的尺要缩短,运动的钟要变慢,但一切物理定律的数学形式却保持不变,即一切物理定律对于洛伦兹变换是协变的。对伽利略变换不是协变的麦克斯韦方程,对洛伦兹变换是协变的。可是,原来对伽利略变换是协变的牛顿力学定律,现在对洛伦兹变换却不是协变的,因此必须改造古典物理学的基本概念,如质量、能量、动量等。通过这种改造所得到的相对论力学,把古典力学作为物体低速运动时的一种极限情况包含于自身之中。这样,狭义相对论就把力学和电磁学在运动学的基础上统一了起来。狭义相对论否定了绝对时空观,精确地揭示了作为物质存在形式的空间和时间在本质上的统一性以及空间、时间同物质运动的联络。相对论的这种时空观,后来通过H.闵可夫斯基的工作得到重大发展。闵可夫斯基于1907年提出了空时四维表述形式,即在通常的空间三个座标以外,引进第四个以光速和时间的乘积为尺度的虚座标,这样就可以方便地用四维空间中的几何图形来表示事件(称为“世界点”)及其变化过程(称为“世界线”)。在闵可夫斯基空间中,原来三维空间的距离和时间的间隔两者各自独立的不变性虽然不再成立,但两者的结合体仍然是不变的。因此,他把这一观点称为“绝对世界的假设”。

狭义相对论不仅引起了时空观革命,而且具有更深远的哲学意义。例如,爱因斯坦根据狭义相对论汇出质量和能量的相当性,即物体的质量(m)是它所含能量(E)的量度:E=mc2(c=光速)。这就加深并发展了物质和运动的不可分离性原理。又如,按照狭义相对论的四维表示,能量和动量结合成一个量,即“能量-动量向量”,动量是这个四维向量的空间分量,能量则是它的时间分量。这样,动量守恒定律和能量守恒定律就结合成一个统一的能量-动量守恒定律,从而使笛卡尔学派和莱布尼茨学派关于运动量度问题的争论在新的科学水平上得到了更完满的解决。

广义相对论

爱因斯坦在完成狭义相对论后,继续把相对性原理的适用范围从相互匀速运动的参照系推广到相互加速运动的参照系。他从伽利略早已发现的引力场中一切物体都具有同一加速度,即惯性质量同引力质量相等这一古老的实验事实出发,于1907年提出等效原理。这一原理认为引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。由等效原理可以推断,在引力场中,时钟要变慢,光线要弯曲。随后,爱因斯坦在M.格罗斯曼的帮助下找到了适用的数学工具,即C.F.高斯和G.F.黎曼的曲面几何以及C.G.里奇和T.勒维 -契维塔的绝对微分学,或称张量分析。经过 3年的艰苦努力,他于1915年11月完成广义相对论,提出了对于任何座标变换都是协变的引力场方程。广义相对论实质上是引力理论,它用空间结构的几何性质表示引力场,使19世纪20年代建立的非欧几里得几何学获得了物理意义。从广义相对论的角度看,现实的物理空间不是平坦的欧几里得空间,而是弯曲的黎曼空间;空间弯曲的程度(曲率)取决于物质分布状况,空间曲率体现了引力场的强度。广义相对论揭示了四维空时同物质的统一性,指出空间-时间不可能离开物质而独立存在,这就在更深的意义上否定了牛顿的绝对空时观。广义相对论还解释了牛顿力学理论无法解释的水星近日点每百年43秒的剩馀进动,并且预言星光经过太阳边缘要偏转 1.7秒。这一预言于1919年由日全食的观测得到证实。

爱因斯坦建成广义相对论后,即用它考察整个宇宙空间问题,开创了现代宇宙学。他于1917年提出的宇宙空间有限无界的模型,为宇宙膨胀理论和大爆炸宇宙学奠定了理论基础。20年代以后,他试图继续推广相对论,使广义相对论发展成为既包括引力场又包括电磁场的统一场理论。他在这条道路上努力探索了30年,未获任何有物理意义的结果。但70年代以后,统一场论的思想以新的形式成为一种鼓舞人心的物理理论探索的指导思想。

对现代哲学的影响

参考书目

爱因斯坦著,杨润殷译:《狭义与广义相对论浅说》,上海科学技术出版社,1964。

W.泡利著,凌德洪、周万生译:《相对论》,上海科学技术出版社,1979。

吴大猷:《相对论》,台湾联合出版事业公司,台北,1977。

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