浅谈相对论

摘要：爱因斯坦提出了自经典物理学建立以来出现的一种全新的、关于时空和质能的科学理论—相对论，改变了人们的思维方式和世界观，影响了整个物理学乃至科学的发展。

关键词：相对论

爱因斯坦提出了自经典物理学建立以来出现的一种全新的、关于时空和质能的科学理论—相对论，改变了人们的思维方式和世界观，影响了整个物理学乃至科学的发展。

相对论是上世纪物理学史上最重大的成就之一，其中狭义相对论变革了从牛顿以来形成的时空概念，提出了时间与空间的统一性和相对性，建立了新的时空观。虽然现在大多数人都知道有这一理论，但对它的认识却是千差万别，有的仅局限在对四维时空坐标的认识，而对运动物体的长度收缩、运动的钟“变慢”仍感到惊奇，对相对论中的质量、动量、能量关系的理解还不深入，脑海里留下了许多疑问。本文主要围绕“相对论”展开探讨。

玻恩曾说过，相对论“是人类认识大自然的最伟大的成果，它把哲学的深奥、物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起”。相对论并非传统理论的重复，而更是一种精确的用数学表述的方法。此方法中，科学的度量是相对的，长度和时间的概念也是相对的，它们离开了物体和观察者便没有意义。相对论揭示了物理世界各事物固有的绝对与相对性，标志着物理学的重大发展，使人们对一些基本物理概念的认识发生了根本改变。

相对论的理论是那样的革命，是那样的迥异于人们的惯常思维，以至于连当时的物理学家对它的理解，就像幼童想了解地球另一面的人为什么不从地球上掉下去那么困难。1905年，爱因斯坦关于狭义相对论的论文墨迹未干，对相对论进行验证的各种实验就开始热火朝天地搞起来了。但即便是现在，它也是现代物理学确认的最好的验证性理论之一。质能公式是狭义相对论最著名的推论，它导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，也相继被引力观测所证实。从质能方程可以看出，数量极少的质量能够释放出令人震惊的巨大能量，太阳有赖于这公式。甚至也可以说，地球上生命的盛哀兴亡都将和这个公式有关。

相对论又分为广义相对论和狭义相对论。狭义相对论是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。

伽利略曾经指出，运动的船与静止的船上的运动不可区分，也就是说，当你在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，那么即使你拥有最发达的头脑，最先进的仪器，也无从感知你的船是匀速运动，还是静止。更无从感知速度的大小，因为没有参考。比如，我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用，作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理。其内容是：惯性系之间完全等价，不可区分。

著名的麦克尔逊--莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参考系无关的结论。也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理，光速不变原理。

由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变幻，与传统的法则相矛盾，但实践证明是正确的，比如一辆火车速度是10m/s，一个人在车上相对车的速度也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s，而是（20-10^（-15））m/s左右。在通常情况下，这种相对论效应完全可以忽略，但在接近光速时，这种效应明显增大，比如，火车速度是0.99倍光速，人的速度也是0.99倍光速，那么地面观测者的结论不是1.98倍光速，而是0.999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢，对他来说也是光速。

广义相对论是爱因斯坦深入研究引力理论，于1913年提出的引力场的相对论理论。这一理论完全不同于牛顿的引力论，它把引力场归结为物体周围的时空弯曲，把物体受引力作用而运动，归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。

牛顿的万有引力定律认为，一切有质量的物体均相互吸引，这是一种静态的超距作用。在广义相对论中物质产生引力场的规律由爱因斯坦场方程表示，它所反映的引力作用是动态的，以光速来传递的。广义相对论是比牛顿引力论更一般的理论，牛顿引力论只是广义相对论的弱场近似。所谓弱场是指物体在引力场中的引力能远小于固有能，力场中，才显示出两者的差别，这时必须应用广义相对论才能正确处理引力问题。

爱因斯坦一直把广义相对论看作是自己一生中最重要的科学成果，确实，广义相对论比狭义相对论包含了更加深刻的思想，这一全新的引力理论至今仍是一个最美好的引力理论。没有大胆的革新精神和不屈不挠的毅力，没有敏锐的理论直觉能力和坚实的数学基础，是不可能建立起广义相对论的。伟大的科学家汤姆逊曾经把广义相对论称作为人类历史上最伟大的成就之一。

物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无物质的运动，由于物质是在相互联系，相互作用中运动的，因此，必须在物质的相互关系中描述运动，而不可能孤立的描述运动。也就是说，运动必须有一个参考物，这个参考物就是参考系。

相对论对物理学的基本贡献，不但在于揭示了某些曾被认为是绝对的物理概念的相对性，更重要的是，在于确定了许多新的物理概念的绝对性，从而大大扩展和加深了人们对自然规律的认识。

从两个基本原理的引入可以看出：所有惯性系绝对平权，物理规律是绝对的，惯性系在狭义相对论中绝对优越；光的传播是一绝对运动，不存在其对立面——相对静止，即不存在光子静止系，真空中的光速c是绝对速率，它与测量时的参考物和光的传播方向无关。爱因斯坦证明了电动力学与光学定律也和力学定律一样，都对相对运动保持其不变性和对称性，都不受运动的影响，当然麦克斯韦方程组也不例外。现已充分证明，光速不变性不但决定了时间和空间的相对性结构，也是自然界因果关系成立的基础。早在麦克斯韦和洛伦兹就用一级微量从理论上证明了，后来从未探测到地球运动对光速的影响，斐索实验和迈克耳逊-莫雷实验都表明光速与参考系的运动无关。可以说，它没有和任何实验结果相矛盾，有些天文观测结果，诸如光行差现象和双星现象，只有利用光速不变性才能正确解释，雷达技术探测各种天体和各种目标的距离也都是利用了光速不变原理。

尽管狭义相对论理论在逻辑结构和它的形式上已经很完美，在实验上已经有了牢固的基础，当今人们仍然在不断地进行深人的研究：理论方面，探讨它在新领域杂红的应用，使用新的观测方法和提高测量精度，以期更精密地检验它的正确性。我们相信，相对论在人类创建更高的物质文明的实践中，将会发挥新的巨大作用。