《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)

狹義相對論（Special Relativity）是主要由愛(ài)因斯坦創(chuàng )立的時(shí)空理論，是對牛頓時(shí)空觀(guān)的改造。

伽利略變換與電磁學(xué)理論的不自洽 到19世紀末，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)中的相對性原理則要求一切物理規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 為解決這一矛盾，物理學(xué)家提出了“以太假說(shuō)”，即放棄相對性原理，認為麥克斯韋方程組只對一個(gè)絕對參考系（以太）成立。根據這一假說(shuō)，由麥克斯韋方程組計算得到的真空光速是相對于絕對參考系（以太）的速度；在相對于“以太”運動(dòng)的參考系中，光速具有不同的數值。

實(shí)驗的結果——零結果 但斐索實(shí)驗和邁克耳遜-莫雷實(shí)驗表明光速與參考系的運動(dòng)無(wú)關(guān)。 洛侖茲坐標變換 洛侖茲變換是描述狹義相對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(shuō)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)驗的零結果）。后被愛(ài)因斯坦用于狹義相對論。

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

他說(shuō)：“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(zhù)幾只蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲(chóng)，艙內放一只大水碗，其中有幾條魚(yú)。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(yú)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(wú)論向哪個(gè)方向跳 過(guò)的距離都相等。

當你仔細地觀(guān)察這些事情之后，再使船以任何速度前進(jìn)，只要運動(dòng)是勻速，也不忽左忽右地擺動(dòng)，你將發(fā)現，所有上述現象絲毫沒(méi)有變化。你也無(wú)法從其中任何一個(gè)現象來(lái)確定，船是在運動(dòng)還是停著(zhù)不動(dòng)。

即使船運動(dòng)得相當快，你跳向船尾也不會(huì )比跳向船頭來(lái)得遠。雖然你跳到空中時(shí)，腳下的船底板向著(zhù)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(kāi)之長(cháng)，通常為九英寸，是古代的一種長(cháng)度單位）。魚(yú)在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部來(lái)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，蝴蝶和蒼蠅繼續隨便地到處飛行，它們也決不會(huì )向船尾集中，并不因為它們可能長(cháng)時(shí)間留在空中，脫離開(kāi)了船的運動(dòng)，為趕上船的運動(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)生的任何一種現象，你是無(wú)法判斷船究竟是在運動(dòng)還是停著(zhù)不動(dòng)。

現在稱(chēng)這個(gè)論斷為伽利略相對性原理。 用現代的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，薩爾維阿蒂的大船就是一種所謂慣性參考系。

就是說(shuō)，以不同的勻速運動(dòng)著(zhù)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象，在另一個(gè)慣性參考系中必定也能無(wú)任何差別地看到。

亦即，所有慣性參考系都是平權的、等價(jià)的。我們不可能判斷哪個(gè)慣性參考系是處于絕對靜止狀態(tài)，哪一個(gè)又是絕對運動(dòng)的。

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

狹義相對論的兩條原理 1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了狹義相對論的奠基性論文《論運動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》。關(guān)于狹義相對論的基本原理，他寫(xiě)道： “下面的考慮是以相對性原理和光速不變原理為依據的，這兩條原理我們規定如下： 1.物理體系的狀態(tài)據以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標系究竟是用兩個(gè)在互相勻速移動(dòng)著(zhù)的坐標系中的哪一個(gè)并無(wú)關(guān)系。

2.任何光線(xiàn)在“靜止的”坐標系中都是以確定的速度c運動(dòng)著(zhù)，不管這道光線(xiàn)是由靜止的還是運動(dòng)的物體發(fā)射出來(lái)的。” 其中第一條就是相對性原理，第二條是光速不變性。

整個(gè)狹義相對論就建筑在這兩條基本原理上。 愛(ài)因斯坦的哲學(xué)觀(guān)念是，自然界應當是和諧而簡(jiǎn)單的。

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

狹義相對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(lái)物理學(xué)的根基。 后面我們將開(kāi)始這種推論。

愛(ài)因斯坦狹義相對論 相對論是20世紀物理學(xué)史上最重大的成就之一，它包括狹義相對論和廣義相對論兩個(gè)部分，狹義相對論變革了從牛頓以來(lái)形成的時(shí)空概念，提示了時(shí)間與空間的統一性和相對性，建立了新的時(shí)空觀(guān)。廣義相對論把相對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。

在相對論的建立過(guò)程中，愛(ài)因斯坦起了主要的作用。 愛(ài)因斯坦是美籍德國物理學(xué)家。

1914年任德國威廉皇帝物理研究所所長(cháng)和普。