《人與時(shí)空學(xué)》十神表(解釋一下物理的時(shí)空學(xué))

1.解釋一下物理的時(shí)空學(xué)

狹義相對(duì)論（Special Relativity）是主要由愛因斯坦創(chuàng)立的時(shí)空理論，是對(duì)牛頓時(shí)空觀的改造。

伽利略變換與電磁學(xué)理論的不自洽 到19世紀(jì)末，以麥克斯韋方程組為核心的經(jīng)典電磁理論的正確性已被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，但麥克斯韋方程組在經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換下不具有協(xié)變性。而經(jīng)典力學(xué)中的相對(duì)性原理則要求一切物理規(guī)律在伽利略變換下都具有協(xié)變性。

邁克爾孫尋找以太的實(shí)驗(yàn) 為解決這一矛盾，物理學(xué)家提出了“以太假說”，即放棄相對(duì)性原理，認(rèn)為麥克斯韋方程組只對(duì)一個(gè)絕對(duì)參考系（以太）成立。根據(jù)這一假說，由麥克斯韋方程組計(jì)算得到的真空光速是相對(duì)于絕對(duì)參考系（以太）的速度；在相對(duì)于“以太”運(yùn)動(dòng)的參考系中，光速具有不同的數(shù)值。

實(shí)驗(yàn)的結(jié)果——零結(jié)果 但斐索實(shí)驗(yàn)和邁克耳遜-莫雷實(shí)驗(yàn)表明光速與參考系的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。 洛侖茲坐標(biāo)變換 洛侖茲變換是描述狹義相對(duì)論空間中各參考系間關(guān)系的變換。

它最早由洛侖茲從以太說推出，用以解決經(jīng)典力學(xué)與經(jīng)典電磁學(xué)間的矛盾（即邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果）。后被愛因斯坦用于狹義相對(duì)論。

1632年，伽利略出版了他的名著《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》。書中那位地動(dòng)派的“薩爾維阿蒂”對(duì)上述問題給了一個(gè)徹底的回答。

他說：“把你和一些朋友關(guān)在一條大船甲板下的主艙里，讓你們帶著幾只蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲，艙內(nèi)放一只大水碗，其中有幾條魚。然后，掛上一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個(gè)寬口罐里。

船魚向各個(gè)方向隨便游動(dòng)，水滴滴進(jìn)下面的罐口，你把任何東西扔給你的朋友時(shí)，只要距離相等，向這一方向不必比另一方向用更多的力。你雙腳齊跳，無論向哪個(gè)方向跳 過的距離都相等。

當(dāng)你仔細(xì)地觀察這些事情之后，再使船以任何速度前進(jìn)，只要運(yùn)動(dòng)是勻速，也不忽左忽右地?cái)[動(dòng)，你將發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個(gè)現(xiàn)象來確定，船是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)。

即使船運(yùn)動(dòng)得相當(dāng)快，你跳向船尾也不會(huì)比跳向船頭來得遠(yuǎn)。雖然你跳到空中時(shí)，腳下的船底板向著你跳的相反方向移動(dòng)。

你把不論什么東西扔給你的同伴時(shí)，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對(duì)面，你也并不需要用更多的力。水滴將象先前一樣，滴進(jìn)下面的罐子，一滴也不會(huì)滴向船尾。

雖然水滴在空中時(shí)，船已行駛了許多柞（為大指尖到小指尖伸開之長(zhǎng)，通常為九英寸，是古代的一種長(zhǎng)度單位）。魚在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部來得大；它們一樣悠閑地游向放在水碗邊緣任何地方的食餌。

最后，蝴蝶和蒼蠅繼續(xù)隨便地到處飛行，它們也決不會(huì)向船尾集中，并不因?yàn)樗鼈兛赡荛L(zhǎng)時(shí)間留在空中，脫離開了船的運(yùn)動(dòng)，為趕上船的運(yùn)動(dòng)而顯出累的樣子?！?薩爾維阿蒂的大船道出一條極為重要的真理，即：從船中發(fā)生的任何一種現(xiàn)象，你是無法判斷船究竟是在運(yùn)動(dòng)還是停著不動(dòng)。

現(xiàn)在稱這個(gè)論斷為伽利略相對(duì)性原理。 用現(xiàn)代的語言來說，薩爾維阿蒂的大船就是一種所謂慣性參考系。

就是說，以不同的勻速運(yùn)動(dòng)著而又不忽左忽右擺動(dòng)的船都是慣性參考系。在一個(gè)慣性系中能看到的種種現(xiàn)象，在另一個(gè)慣性參考系中必定也能無任何差別地看到。

亦即，所有慣性參考系都是平權(quán)的、等價(jià)的。我們不可能判斷哪個(gè)慣性參考系是處于絕對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)，哪一個(gè)又是絕對(duì)運(yùn)動(dòng)的。

伽利略相對(duì)性原理不僅從根本上否定了地靜派對(duì)地動(dòng)說的非難，而且也否定了絕對(duì)空間觀念（至少在慣性運(yùn)動(dòng)范圍內(nèi)）。所以，在從經(jīng)典力學(xué)到相對(duì)論的過渡中，許多經(jīng)典力學(xué)的觀念都要加以改變，唯獨(dú)伽利略相對(duì)性原理卻不僅不需要加以任何修正，而且成了狹義相對(duì)論的兩條基本原理之一。

狹義相對(duì)論的兩條原理 1905年，愛因斯坦發(fā)表了狹義相對(duì)論的奠基性論文《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》。關(guān)于狹義相對(duì)論的基本原理，他寫道： “下面的考慮是以相對(duì)性原理和光速不變?cè)頌橐罁?jù)的，這兩條原理我們規(guī)定如下： 1.物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究竟是用兩個(gè)在互相勻速移動(dòng)著的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)并無關(guān)系。

2.任何光線在“靜止的”坐標(biāo)系中都是以確定的速度c運(yùn)動(dòng)著，不管這道光線是由靜止的還是運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射出來的?！?其中第一條就是相對(duì)性原理，第二條是光速不變性。

整個(gè)狹義相對(duì)論就建筑在這兩條基本原理上。 愛因斯坦的哲學(xué)觀念是，自然界應(yīng)當(dāng)是和諧而簡(jiǎn)單的。

的確，他的理論常有一種引人注目的特色：出于簡(jiǎn)單而歸于深?yuàn)W。狹義相對(duì)論就是具有這種特色的一個(gè)體系。

狹義相對(duì)論的兩條基本原理似乎是并不難接受的“簡(jiǎn)單事實(shí)”，然而它們的推論卻根本地改變了牛頓以來物理學(xué)的根基。 后面我們將開始這種推論。

愛因斯坦狹義相對(duì)論 相對(duì)論是20世紀(jì)物理學(xué)史上最重大的成就之一，它包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論兩個(gè)部分，狹義相對(duì)論變革了從牛頓以來形成的時(shí)空概念，提示了時(shí)間與空間的統(tǒng)一性和相對(duì)性，建立了新的時(shí)空觀。廣義相對(duì)論把相對(duì)原理推廣到非慣性參照系和彎曲空間，從而建立了新的引力理論。

在相對(duì)論的建立過程中，愛因斯坦起了主要的作用。 愛因斯坦是美籍德國(guó)物理學(xué)家。

1914年任德國(guó)威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)和普。