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  • 相对论”是个多义词,全部含义如下:

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    相对论[关于时空和引力的基本理论]

    相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立,依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论和广义相对的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。它发展了牛顿力学,推动物理学发展到一个新的高度。

    编辑摘要

    基本信息 编辑信息模块

    中文名称: 相对论 外文名: Relativity
    提出者: 阿尔伯特·爱因斯坦 提出时间: 1905年、1915年
    应用学科: 物理学 适用领域范围: 高速运动
    理论性质: 时空理论、引力理论 数学基础: 黎曼几何

    目录

    简介/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    (图)相对论相对论

    相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化,它们共同奠定了近代物理学的基础。

    相对论的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无关。

    狭义相对论广义相对论的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。

    狭义相对论最著名的推论是质能公式,它可以用来计算核反应过程中所释放的能量,并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,也相继被天文观测所证实。

    人们对于物理理论的分类有了一种新的认识——以其理论是否是决定论的来划分经典与非经典的物理学,即“非经典的=量子的”。在这个意义下,相对论仍然是一种经典的理论。[1]

    提出过程/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    1905年刚刚得到博士学位的爱因斯坦发表的一篇题为《论动体的电动力学》的文章引发了二十世纪物理学的另一场革命。文章研究的是物体的运动对光学现象的影响,这是当时经典物理学面对的另一个难题。

    十九世纪中叶,麦克斯韦建立了电磁场理论,并预言了以光速C传播的电磁波的存在。到十九世纪末,实验完全证实了麦克斯韦理论

    当时流行的看法是整个宇宙空间充满一种特殊物质叫做“以太”,电磁波是以太振动的传播。但人们发现,这是一个充满矛盾的理论。如果认为地球是在一个静止的以太中运动,那么根据速度叠加原理,在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样,但是实验否定了这个结论。如果认为以太被地球带着走,又明显与天文学上的一些观测结果不符。

    1887年迈克尔逊和莫雷利用光的干涉现象进行了非常精确的测量,仍没有发现地球有相对于以太的任何运动。对此,洛仑兹(H.A.Lorentz)提出了一个假设,认为一切在以太中运动的物体都要沿运动方向收缩。由此他证明了,即使地球相对以太有运动,迈克尔逊也不可能发现它。爱因斯坦从完全不同的思路研究了这一问题。他指出,只要摒弃牛顿所确立的绝对空间和绝对时间的概念,一切困难都可以解决,根本不需要什么以太。

    爱因斯坦提出了两条基本原理作为讨论运动物体光学现象的基础。第一个叫做相对性原理。它是说:如果坐标系K'相对于坐标系K作匀速运动而没有转动,则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验,都不可能区分哪个是坐标系K,哪个是坐标系K′。第二个原理叫光速不变原理,它是说光(在真空中)的速度c是恒定的,它不依赖于发光物体的运动速度。

    从表面上看,光速不变似乎与相对性原理冲突。因为按照经典力学速度的合成法则,对于K′和K这两个做相对匀速运动的坐标系,光速应该不一样。爱因斯坦认为,要承认这两个原理没有抵触,就必须重新分析时间与空间的物理概念。

    经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设:

    1.两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系;

    2.两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。

    爱因斯坦发现,如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的,那么这两条假设都必须摒弃。这时,对一个钟是同时发生的事件,对另一个钟不一定是同时的,同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中,测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等。距离也有了相对性。

    如果设K坐标系中一个事件可以用三个空间坐标x、y、z和一个时间坐标t来确定,而K′坐标系中同一个事件由x′、y′、z′和t′来确定,则爱因斯坦发现,x′、y′、z′和t′可以通过一组方程由x、y、z和t求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c是方程的唯一参数。这个方程最早是由洛仑兹得到的,所以称为洛仑兹变换。

    利用洛仑兹变换很容易证明,钟会因为运动而变慢,尺在运动时要比静止时短,速度的相加满足一个新的法则。相对性原理也被表达为一个明确的数学条件,即在洛仑兹变换下,带撇的空时变量x'、y'、z'、t'将代替空时变量x、y、z、t,而任何自然定律的表达式仍取与原来完全相同的形式。人们称之为普遍的自然定律对于洛仑兹变换是协变的。这一点在我们探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。

    此外,在经典物理学中,时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的,每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z,它们构成一个四维的连续空间,通常称为闵可夫斯基四维空间。在相对论中,用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦以前,物理学家一直认为质量和能量是截然不同的,它们是分别守恒的量。爱因斯坦发现,在相对论中质量与能量密不可分,两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个著名的质量-能量公式:E=mc^2,其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明,微小的质量蕴涵着巨大的能量。这个奇妙的公式为人类获取巨大的能量,制造原子弹和氢弹以及利用原子能发电等奠定了理论基础。

    对爱因斯坦引入的这些全新的概念,大部分物理学家,其中包括相对论变换关系的奠基人洛仑兹,都觉得难以接受。旧的思想方法的障碍,使这一新的物理理论直到一代人之后才为广大物理学家所熟悉,就连瑞典皇家科学院,1922年把诺贝尔奖金授予爱因斯坦时,也只是说“由于他对理论物理学的贡献,更由于他发现了光电效应的定律。”对于相对论只字未提。

    爱因斯坦于1915年进一步建立起了广义相对论。狭义相对性原理还仅限于两个相对做匀速运动的坐标系,而在广义相对论性原理中匀速运动这个限制被取消了。他引入了一个等效原理,认为我们不可能区分引力效应和非匀速运动,即非匀速运动和引力是等效的。他进而分析了光线在靠近一个行星附近穿过时会受到引力而弯折的现象,认为引力的概念本身完全不必要。可以认为行星的质量使它附近的空间变成弯曲,光线走的是最短程线。基于这些讨论,爱因斯坦导出了一组方程,它们可以确定由物质的存在而产生的弯曲空间几何。利用这个方程,爱因斯坦计算了水星近日点的位移量,与实验观测值完全一致,解决了一个长期解释不了的困难问题,这使爱因斯坦激动不已。他在写给埃伦菲斯特的信中这样写道:“……方程给出了近日点的正确数值,你可以想象我有多高兴!有好几天,我高兴得不知怎样才好。”

    1915年11月25日,爱因斯坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院,完整地论述了广义相对论。在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜,而且还预言:星光经过太阳会发生偏折,偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍。第一次世界大战延误了对这个数值的测定。1919年5月25日的日全食给人们提供了大战后的第一次观测机会。英国人爱丁顿奔赴非洲西海岸的普林西比岛,进行了这一观测。11月6日,汤姆逊在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上郑重宣布:得到证实的是爱因斯坦而不是牛顿所预言的结果。他称赞道“这是人类思想史上最伟大的成就之一。爱因斯坦发现的不是一个小岛,而是整整一个科学思想的新大陆。”泰晤士报以“科学上的革命”为题对这一重大新闻做了报道。消息传遍全世界,爱因斯坦成了举世瞩目的名人。广义相对论也被提高到神话般受人敬仰的宝座。

    从那时以来,人们对广义相对论的实验检验表现出越来越浓厚的兴趣。但由于太阳系内部引力场非常弱,引力效应本身就非常小,广义相对论的理论结果与牛顿引力理论的偏离很小,观测非常困难。七十年代以来,由于射电天文学的进展,观测的距离远远突破了太阳系,观测的精度随之大大提高。特别是1974年9月由麻省理工学院泰勒和他的学生赫尔斯,用305米口径的大型射电望远镜进行观测时,发现了脉冲双星,它是一个中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行,周期只有0.323天,它的表面的引力比太阳表面强十万倍,是地球上甚至太阳系内不可能获得的检验引力理论的实验室。经过长达十余年的观测,他们得到了与广义相对论的预言符合得非常好的结果。由于这一重大贡献,泰勒和赫尔斯获得了1993年诺贝尔物理奖。[2]

    分野/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    弯曲时空的-宇宙模型图弯曲时空的-宇宙模型图

    狭义与广义相对论的分野传统上,在爱因斯坦刚刚提出相对论的初期,人们以所讨论的问题是否涉及非惯性参考系来作为狭义与广义相对论分类的标志。随着相对论理论的发展,这种分类方法越来越显出其缺点——参考系是跟观察者有关的,以这样一个相对的物理对象来划分物理理论,被认为较不能反映问题的本质。目前一般认为,狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及引力(弯曲时空),即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题,而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学的。用相对论的语言来说,就是狭义相对论的背景时空是平直的,即四维平凡流型配以闵氏度规,其曲率张量为零,又称闵氏时空;而广义相对论的背景时空则是弯曲的,其曲率张量不为零。

    佯谬问题/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    相对论诞生后,曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬。一对双生子A和B,A在地球上,B乘火箭去做星际旅行,经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言,二人经历的时间不同,重逢时B将比A年轻。许多人有疑问,认为A看B在运动,B看A也在运动,为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系,B要经历加速与减速过程,是变加速运动参考系,真正讨论起来非常复杂,因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了,只是要用到许多数学知识和公式。在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节,有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是,无论在那个参考系中,B都比A年轻。 

    为使问题简化,只讨论这种情形,火箭经过极短时间加速到亚光速,飞行一段时间后,用极短时间掉头,又飞行一段时间,用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论,火箭始终是动钟,重逢时B比A年轻。在火箭参考系内,地球在匀速过程中是动钟,时间进程比火箭内慢,但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中,地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周,到达火箭的前方很远的地方。这是一个"超光速"过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾,这种"超光速"并不能传递任何信息,不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程,火箭与地球就不能相遇,由于不同的参考系没有统一的时间,因此无法比较他们的年龄,只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后,B不能直接接受A的信息,因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是在掉头过程中,地球的时间进度猛地加快了。在B看来,A先是比B年轻,接着在掉头时迅速衰老,返航时,A又比自己衰老的慢了。重逢时,自己仍比A年轻。也就是说,相对论不存在逻辑上的矛盾。

    狭义相对论/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    概念

     马赫休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说:空间和广延不是别的,而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是以能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。1905年爱因斯坦指出,迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的,光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物,时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相对论。

    相对论相对论

    狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论,因此要弄清相对论的内容,要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间,但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思,只有数学意义,在此不做讨论。

    四维时空是构成真实世界的最低维度,我们的世界恰好是四维,至于高维真实空间,至少现在我们还无法感知。(我在一个帖子上说过一个例子,)一把尺子在三维空间里(不含时间)转动,其长度不变,但旋转它时,它的各坐标值均发生了变化,且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标,它与空间坐标是有联系的,也就是说时空是统一的,不可分割的整体,它们是一种“此消彼长”的关系。 

    四维时空不仅限于此,由质能关系知,质量和能量实际是一回事,质量(或能量)并不是独立的,而是与运动状态相关的,比如速度越大,质量越大。在四维时空里,质量(或能量)实际是四维动量的第四维分量,动量是描述物质运动的量,因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里,动量和能量实现了统一,称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度,四维加速度,四维力,电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是,电磁场方程组的四维形式更加完美,完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多,这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性,我们不能对它妄加怀疑。

    相对论中,时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空,能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到,时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。

    公式

    相对论公式及证明

    单位 符号 单位 符号
    坐标: m (x,y,z) 力: N F(f)
    时间: s t(T) 质量:kg m(M)
    位移: m r 动量:kg*m/s p(P)
    速度: m/s v(u) 能量: J E
    加速度: m/s^2 a 冲量:N*s I
    长度: m l(L) 动能:J Ek
    路程: m s(S) 势能:J Ep
    角速度: rad/s ω 力矩:N*m M
    角加速度:rad/s^2α 功率:W P

    力学

    一、牛顿力学

    (一):质点运动学基本公式:(1)v=dr/dt,r=r0 ∫RDT (2)a=dv/dt,v=v0 ∫adt (注:两式中左式为微分形式,右式为积分形式) 当v不变时,(1)表示匀速直线运动。 当a不变时,(2)表示匀变速直线运动。只要知道质点的运动方程r=r(t),它的一切运动规律就可知了。

    (二):质点动力学:

    (1)牛一:不受力的物体做匀速直线运动。

    (2)牛二:物体加速度与合外力成正比与质量成反比。

    F=ma=mdv/dt=dp/dt

    (3)牛三:作用力与反作与力等大反向作用在同一直线上。

    (4)万有引力:两质点间作用力与质量乘积成正比,与距离平方成反比。

    F=GMm/r^2,G=6.67259*10^(-11)m^3/(kg*s^2)

    动量定理:I=∫Fdt=p2-p1(合外力的冲量等于动量的变化)

    动量守恒:合外力为零时,系统动量保持不变。

    动能定理:W=∫Fds=Ek2-Ek1(合外力的功等于动能的变化)

    机械能守恒:只有重力做功时,Ek1 Ep1=Ek2 Ep2 (注:牛顿力学的核心是牛二:F=ma,它是运动学与动力学的桥梁,我们的目的是知道物体的运动规律,即求解运动方程r=r(t),若知受力情况,根据牛二可得a,再根据运动学基本公式求之。同样,若知运动方程r=r(t),可根据运动学基本公式求a,再由牛二可知物体的受力情况。)

    二、狭义相对论力学

    (注:γ=1/sqr(1-u^2/c^2),β=u/c,u为惯性系速度。)

    1.基本原理:

    (1)相对性原理:所有惯性系都是等价的。

    (2)光速不变原理:真空中的光速是与惯性系无关的常数。(此处先给出公式再给出证明)

    2.洛仑兹坐标变换:   

    X=γ(x-ut)   Y=y   Z=z   T=γ(t-ux/c^2)

    3.速度变换:

    V(x)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2)

    V(y)=v(y)/(γ(1-v(x)u/c^2))

    V(z)=v(z)/(γ(1-v(x)u/c^2))

    4.尺缩效应:△L=△l/γ或dL=dl/γ

    5.钟慢效应:△t=γ△τ或dt=dτ/γ

    6.光的多普勒效应:ν(a)=sqr((1-β)/(1 β))ν(b) (光源与探测器在一条直线上运动。)

    7.动量表达式:P=Mv=γmv,即M=γm

    8.相对论力学基本方程:F=dP/dt

    9.质能方程:E=Mc^2

    10.能量动量关系:E^2=(E0)^2 P^2c^2(注:在此用两种方法证明,一种在三维空间内进行,一种在四维时空中证明,实际上他们是等价的。)

    原理

    狭义相对论建立在如下的两个基本公设上:

    狭义相对性原理(狭义协变性原理):一切的惯性参考系都是平权的,即物理规律的形式在任何的惯性参考系中是相同的。这意味着物理规律对于一位静止在实验室里的观察者和一个相对于实验室高速匀速运动着的电子是相同的。
    光速不变原理:真空中的光速在任何参考系下是恒定不变的,这用几何语言可以表为光子在时空中的世界线总是类光的。也正是由于光子有这样的实验性质,在国际单位制中使用了“光在真空中1/299,792,458秒内所走过的距离”来定义长度单位“米”(米)。

    效应

    根据狭义相对性原理,惯性系是完全等价的,因此,在同一个惯性系中,存在统一的时间,称为同时性,而相对论证明,在不同的惯性系中,却没有统一的同时性,也就是两个事件(时空点)在一个惯性系内同时,在另一个惯性系内就可能不同时,这就是同时的相对性,在惯性系中,同一物理过程的时间进程是完全相同的,如果用同一物理过程来度量时间,就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道,非惯性系中,时空是不均匀的,也就是说,在同一非惯性系中,没有统一的时间,因此不能建立统一的同时性。

    相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系,发现运动的惯性系时间进度慢,这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走的越慢,接近光速时,钟就几乎停止了。

    尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值的差。由于"同时"的相对性,不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,这就是所谓的尺缩效应,当速度接近光速时,尺子缩成一个点。

    由以上陈述可知,钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性。也就是说,时间进度与参考系有关。这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观,相对论认为,绝对时间是不存在的,然而时间仍是个客观量。比如在下期将讨论的双生子理想实验中,哥哥乘飞船回来后是15岁,弟弟可能已经是45岁了,说明时间是相对的,但哥哥的确是活了15年,弟弟也的确认为自己活了45年,这是与参考系无关的,时间又是"绝对的"。这说明,不论物体运动状态如何,它本身所经历的时间是一个客观量,是绝对的,这称为固有时。也就是说,无论你以什么形式运动,你都认为你喝咖啡的速度很正常,你的生活规律都没有被打乱,但别人可能看到你喝咖啡用了100年,而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。      

    广义相对论/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    概念

    在本质上,所有的物理学问题都涉及采用什么时空观的问题。在二十世纪以前的经典物理学里,人们采用的是牛顿的绝对时空观。而相对论的提出改变了这种时空观,这就导致人们必须依相对论的要求对经典物理学的公式进行改写,以使其具有相对论所要求的洛伦兹协变性而不是以往的伽利略协变性。在经典理论物理的三大领域中,电动力学本身就是洛伦兹协变的,无需改写;统计力学有一定的特殊性,但这一特殊性并不带来很多急需解决的原则上的困难;而经典力学的大部分都可以成功的改写为相对论形式,以使其可以用来更好的描述高速运动下的物体,但是唯独牛顿的引力理论无法在狭义相对论的框架体系下改写,这直接导致爱因斯坦扩展其狭义相对论,而得到了广义相对论。

    爱因斯坦在1915年左右发表的一系列论文中给出了广义相对论最初的形式。他首先注意到了被称之为(弱)等效原理的实验事实:引力质量与惯性质量是相等的(目前实验证实,在10 − 12的精确度范围内,仍没有看到引力质量与惯性质量的差别)。这一事实也可以理解为,当除了引力之外不受其他力时,所有质量足够小(即其本身的质量对引力场的影响可以忽略)的测验物体在同一引力场中以同样的方式运动。既然如此,则不妨认为引力其实并不是一种“力”,而是一种时空效应,即物体的质量(准确的说应当为非零的能动张量)能够产生时空的弯曲,引力源对于测验物体的引力正是这种时空弯曲所造成的一种几何效应。这时,所有的测验物体就在这个弯曲的时空中做惯性运动,其运动轨迹正是该弯曲时空的测地线,它们都遵守测地线方程。正是在这样的思路下,爱因斯坦得到了其广义相对论。    

    方程

    爱因斯坦场方程:它具体表达了时空中的物质(能动张量)对于时空几何(曲率张量的函数)的影响,其中对应能动张量的要求(其梯度为零)则包含了上面关于在其中做惯性运动的物体的运动方程的内容。

    根据广义相对论中“宇宙中一切物质的运动都可以用曲率来描述,引力场实际上就是一个弯曲的时空”的思想,爱因斯坦给出了著名的引力场方程(Einstein's field equation): R_ - \fracg_ R = - 8 \pi {G \over c^2} T_
     其中 G 为牛顿万有引力常数,这被称为爱因斯坦引力场方程,也叫爱因斯坦场方程。 该方程是一个以时空为自变量、以度规为因变量的带有椭圆型约束的二阶双曲型偏微分方程。它以复杂而美妙著称,但并不完美,计算时只能得到近似解。最终人们得到了真正球面对称的准确解——史瓦兹解。 加入宇宙学常数后的场方程为: R_ - \fracg_ R \Lambda g_= - 8 \pi {G \over c^2} T_

    原理

    广义相对性原理(广义协变性原理):任何物理规律都应该用与参考系无关的物理量表示出来。用几何语言描述即为,任何在物理规律中出现的时空量都应当为该时空的度规或者由其导出的物理量。  

    广义论验证

     爱因斯坦在建立广义相对论时,就提出了三个实验,并很快就得到了验证:(1)引力红移(2)光线偏折(3)水星近日点进动。直到最近才增加了第四个验证:(4)雷达回波的时间延迟。 

     (1)引力红移:广义相对论证明,引力势低的地方固有时间的流逝速度慢。也就是说离天体越近,时间越慢。这样,天体表面原子发出的光周期变长,由于光速不变,相应的频率变小,在光谱中向红光方向移动,称为引力红移。宇宙中有很多致密的天体,可以测量它们发出的光的频率,并与地球的相应原子发出的光作比较,发现红移量与相对论预言一致。60年代初,人们在地球引力场中利用伽玛射线的无反冲共振吸收效应(穆斯堡尔效应)测量了光垂直传播22。5M产生的红移,结果与相对论预言一致。 

     (2)光线偏折:如果按光的波动说,光在引力场中不应该有任何偏折,按半经典式的"量子论加牛顿引力论"的混合产物,用普朗克公式E=hr和质能公式E=MC^2求出光子的质量,再用牛顿万有引力定律得到的太阳附近的光的偏折角是0.87秒,按广义相对论计算的偏折角是1.75秒,为上述角度的两倍。1919年,一战刚结束,英国科学家爱丁顿派出两支考察队,利用日食的机会观测,观测的结果约为1.7秒,刚好在相对论实验误差范围之内。引起误差的主要原因是太阳大气对光线的偏折。最近依靠射电望远镜可以观测类星体的电波在太阳引力场中的偏折,不必等待日食这种稀有机会。精密测量进一步证实了相对论的结论。 

     (3)水星近日点的进动:天文观测记录了水星近日点每百年移动5600秒,人们考虑了各种因素,根据牛顿理论只能解释其中的5557秒,只剩43秒无法解释。广义相对论的计算结果与万有引力定律(平方反比定律)有所偏差,这一偏差刚好使水星的近日点每百年移动43秒。 

     (4)雷达回波实验:从地球向行星发射雷达信号,接收行星反射的信号,测量信号往返的时间,来检验空间是否弯曲(检验三角形内角和)60年代,美国物理学家克服重重困难做成了此实验,结果与相对论预言相符。 

     仅仅依靠这些实验不足以说明相对论的正确性,只能说明它是比牛顿引力理论更精确的理论,因为它既包含牛顿引力论,又可以解释牛顿理论无法解释的现象。但不能保证这就是最好的理论,因此,广义相对论仍面临考验。

    蚁蜂说法/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    蚂蚁与蜜蜂几何学

    设想有一种生活在二维面上的扁平蚂蚁,因为是二维生物,所以没有第三维感觉。如果蚂蚁生活在大平面上,就从实践中创立欧氏几何。如果它生活在一个球面上,就会创立一种三角和大于180度,圆周率小于3.14的球面几何学。但是,如果蚂蚁生活在一个很大的球面上,当它的“科学”还不够发达,活动范围还不够大,它不足以发现球面的弯曲,它生活的小块球面近似于平面,因此它将先创立欧氏几何学。当它的“科学技术”发展起来时,它会发现三角和大于180度,圆周率小于等“实验事实”。如果蚂蚁够聪明,它会得到结论,它们的宇宙是一个弯曲的二维空间,当它把自己的“宇宙”测量遍了时,会得出结论,它们的宇宙是封闭的(绕一圈还会回到原地),有限的,而且由于“空间”(曲面)的弯曲程度(曲率)处处相同,它们会将宇宙与自己的宇宙中的圆类比起来,认为宇宙是“圆形的”。由于没有第三维感觉,所以它无法想象,它们的宇宙是怎样弯曲成一个球的,更无法想象它们这个“无边无际”的宇宙是存在于一个三维平直空间中的有限面积的球面。它们很难回答“宇宙外面是什么”这类问题。因为,它们的宇宙是有限无边的封闭的二维空间,很难形成“外面”这一概念。

    对于蚂蚁必须借助“发达的科技”才能发现的抽象的事实,一只蜜蜂却可以很容易凭直观形象的描述出来。因为蜜蜂是三维空间的生物,对于嵌在三维空间的二维曲面是“一目了然”的,也很容易形成球面的概念。蚂蚁凭借自己的“科学技术”得到了同样的结论,却很不形象,是严格数学化的。

    由此可见,并不是只有高维空间的生物才能发现低维空间的情况,聪明的蚂蚁一样可以发现球面的弯曲,并最终建立起完善的球面几何学,其认识深度并不比蜜蜂差多少。 
     黎曼几何是一个庞大的几何公理体系,专门用于研究弯曲空间的各种性质。球面几何只是它极小的一个分支。它不仅可用于研究球面,椭圆面,双曲面等二维曲面,还可用于高维弯曲空间的研究。它是广义相对论最重要的数学工具。黎曼在建立黎曼几何时曾预言,真实的宇宙可能是弯曲的,物质的存在就是空间弯曲的原因。这实际上就是广义相对论的核心内容。只是当时黎曼没有像爱因斯坦那样丰富的物理学知识,因此无法建立广义相对论。

    批评声音   

    倒相对论

    相对论的提出,同样受到很多的指责,有很多人认为它是错误的,并大大阻碍了社会的发展。然而这种观点并不被主流科学界所接受。观点如下:

    1、推翻光的波粒二象性,即证明光只是波,或光只是粒子

    2、推翻光速不变定律,即证明存在以太或存在绝对坐标

    3、证明牛顿理论的正确性  

    4,爱因斯坦在创建相对论时就搞错了研究对象。爱因斯坦的相对论充其量也只能算是:把光线作为物体运动信号传递媒介时的信号传递规律,不是物体运动的普遍规律。
    用通俗一些的话来说。就好像有一辆坦克向我们驶来,在运动中发射子弹,爱因斯坦在研究这个现象时,就只研究这辆坦克发射的第一个子弹的运行状况,不仅不研究坦克的运动,也不研究后来发射的子弹的运动。    这样研究的结果当然可以得出一些结论,可是不一定是我们需要的结论,在上例中,对我们威胁最大的不是那颗子弹,而是坦克。

    爱因斯坦相对论有几个主要问题:

    1、爱因斯坦对时间的定义是:运动参照系内的钟,依赖光,通过真空传递到观测系的示数,代表运动系的时间(参见《论动体的电动力学》)。这个定义导致各参照系的时间在不同的观测者看来,可以是不同的,这违背了科学所必须具备的客观公认规律的要求。(参见:科学、时间、客观等定义)

    2、爱因斯坦没有找到光介质,因此他不会用波学原理解决光问题,而是拿粒子与光的不同来总结光的规律(参见《论动体的电动力学》,他对光速不变原理的论述就有两个,那个他所论述的“静止系”都不知道怎么定义)。空气、水、玻璃、油,这些都是光介质,介质决定光速,与光源运动无关,这才是波特性,爱因斯坦遇到的问题,我们用声波基本都可以解释(例如测量钟慢现象、尺缩现象、同时性的相对性、波速不变)。(参见:介质、波等定义)

     3、爱因斯坦不知道真空有相对性,不知道太空不是纯粹真空,如果假定太空中的稀薄气体,就是光介质,则光完全是普通的波,没有任何特殊性,真空中光不能传播。(参见:真空的定义)

    应用/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    相对论主要在两个方面有用:一是高速运动(与光速可比拟的高速),一是强引力场。

    在医院的放射治疗部,多数设有一台粒子加速器,产生高能粒子来制造同位素,作治疗之用。由于粒子运动的速度相当接近光速(0.9c-0.9999c),故粒子加速器的设计和使用必须考虑相对论效应。
    全球卫星定位系统的卫星上的原子钟,对精确定位非常重要。这些时钟同时受狭义相对论因高速运动而导致的时间变慢(-7.2 μs/日),和广义相对论因较(地面物件)承受着较弱的重力场而导致时间变快效应(+45.9 μs/日)影响。相对论的净效应是那些时钟较地面的时钟运行的为快。故此,这些卫星的软件需要计算和抵消一切的相对论效应,确保定位准确。
    全球卫星定位系统的算法本身便是基于光速不变原理的,若光速不变原理不成立,则 全球卫星定位系统则需要更换为不同的算法方能精确定位。
    过渡金属如铂的内层电子,运行速度极快,相对论效应不可忽略。在设计或研究新型的催化剂时,便需要考虑相对论对电子轨态能级的影响。同理,相对论亦可解释为何铅的6s2轨态的能级偏低现象(inert pair effect)。这个效应可以解释为何某些化学电池有着较高的能量密度,为设计更轻巧的电池提供理论根据[4]。相对论也可以解释为何水银是液体,而其他金属却不是。
    相对论指出,光速是信息传递速度的极限。超级电脑的总线时脉一般不能超越30GHz,否则在脉冲到达超级电脑的另一处之前,另一脉冲就已经发出了。结果电脑内不同地方的元件会不协调。相对论为超级电脑的布线长度和时脉上限提供了理论基础。
    由广义相对论推导出来的重力透镜效应,让天文学家可以观察到黑洞和不发射电磁波的暗物质,和评估质量在太空的分布状况。
    值得一提的是,原子弹的出现并非由于著名的质能关系式(E=mc2)。质能关系式只是解释原子弹威力的数学工具而已。

    精神领域里的相对论《精神相对论》/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    精神相对论是智力相对论、情绪相对论和意志相对论的统称,是反省心理学关于无意识潜意识)的重要理论之一(其它两个是心潮理论和浅层理论)是反省心理学所独创的一个理论。[3]
    爱因斯坦的相对论是反映外宇宙的物质世界运动规律的理论,精神相对论是反映内宇宙的心理世界活动规律的理论。
    所谓“精神相对论”是指:一个人对外界的精神反应(包括智力反应、情绪反应、意志反应)取决于其“无意识浅层”结构,在符合其浅层“主导块”(包括主导信息块、主导情绪块和主导意志块)方面的反应必强;反之,在不符合其浅层“主导块”方面的反应必弱;且主导块在浅层所占的空间、比重越大,则相符合方面的反应就越强烈、越广泛,同时,不相符合方面的反应就越弱、越淡漠、越狭窄。
    “主导块”是指浅层中最大的信息块、情绪块或意志(欲望)块,分别是主导信息块、主导情绪块和主导意志块。
    其中“智力反应”包括感知、观察、专注、自制、记忆、理解、创造、表达、感觉、知觉、表象、概念、判断、推理等,“情绪反应”包括愉快、高兴、恐惧、焦虑、抑郁、悲哀、紧张等,意志反应包括意志的顽强和薄弱等。
    精神相对论包括智力相对论、情绪相对论和意志相对论三种,分别适用于人对外界的智力反应、情绪反应和意志反应。
    情绪相对论是指:一个人对外界的情绪反应,取决于其浅层“情绪结构”之状况,在符合其浅层“主导情绪块”方面的反应必强;反之,在不符合浅层主导情绪块方面的反应必弱;且主导情绪块在浅层所占空间越大,相符合方面的反应就越强烈、越广泛,不相符合方面的反应就越淡漠、越狭窄。
    意志相对论是指:一个人对外界的意志反应,取决于其浅层“意志结构”之状况,在符合其浅层“主导意志块”方面的反应必强;反之,在不符合浅层主导意志块方面的反应必弱;且主导意志块在浅层所占空间越大,相符合方面的反应就越顽强,不相符合方面的反应就越薄弱。
    智力相对论是指:一个人对外界的智力反应(即某方面特殊智力的高低),取决于其浅层“信息结构”之状况,在符合其浅层“主导信息块”方面的反应必强(感知力、观察力、专注力、自制力、记忆力、理解力、创造力、表达力、实践力等各项智力都较高);反之,在不符合浅层主导信息块方面的反应必弱(感知力、观察力、专注力、自制等各项智力都较低);且该主导信息块在浅层所占空间比重越大,相符合方面的智力反应就越强烈(感知力、观察力、专注力等各项智力都越高),不相符合方面的智力反应就越弱(感知力、观察力、专注力等各项智力都越低)。[4]

    影响/相对论[关于时空和引力的基本理论] 编辑

    联合国大会已把2005年确定为“国际物理年”,这是联合国首次为一个学科确定的全球规模的纪念活动。
    运动中的尺子会缩短:相对论的研究对象是超越人们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙。狭义相对论认为,运动中的尺子会缩短。人们平时处在低速运动中当然不可能觉察,但如果以每秒26万公里的速度运动时,一米的尺子就会缩成半米。狭义相对论表明,高速旅行会使时间变慢。假定将来人们能制造一艘接近光速飞行的宇宙飞船,从地球出发飞向遥远的星系,来回的旅程仅仅几年(按飞船上的时间),但在此期间地球上已过去了几千年。
    1915年,爱因斯坦把狭义相对论发展成广义相对论。广义相对论认为,没有物质的时空是平坦的,有物质存在的时空就变得弯曲了,两点之间的距离因物质的存在而被拉伸或挤压。一个直观的比喻是,水平抻开的一块布应该是平坦的,当你在布上放置一个铅球后,布面就变得弯曲了,这时再放置一个小玻璃球在布上,它就会滚向中央的铅球。同理,星球的质量使周围的时空弯曲,星球上的“引力”实际上是一个时空被弯曲的现象。根据广义相对论,1939年美国物理学家奥本海默证明,假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后产生灾难性的坍塌,使那里的时空变得无限弯曲,这就是人们常听说的黑洞。
    理论催生原子弹:作为相对论的一个推论,爱因斯坦提出了著名的质能关系式:能量等于质量乘以光速的平方。在这一理论的指导下,1939年,科学家找到了通过裂变把质量转化为能量,释放巨大原子能的中子链式反应,进而制造了原子弹,后来又利用核聚变发明了氢弹。而可以控制反应剧烈程度的核反应堆的和平利用,比如核电站、可控核反应堆供暖系统等极大地改善了人们的生活。
    全球卫星定位系统也依赖于爱因斯坦的相对论。爱因斯坦指出:传统的时间概念只能在简单的条件下才能确定,当多种因素暂时联系起来的时候,传统的计时方法就失去作用。全球定位卫星发出的信号,由于处在不同的参照系上,时空无法和地面同步,只有根据卫星和地面的原子钟不断调整时间,才能保证定位系统的精确。
    1976年,物理学家维索特和列文向太空发射了一枚载有时钟的火箭。他们观察到,这个时钟与放置在地球上的时钟相比,多获得了1/10微秒。他们认为,为了在未来时光中旅行,就需要利用那些强度远高于地球重力的引力场,比如中子星引力场。如果让飞船到达一颗中子星上,就会在未来的时光中迈出一大步。

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    参考资料
    [1]^引用日期:2014-05-12
    [2]^引用日期:2014-05-12
    [3]^引用日期:2014-05-12
    [4]^引用日期:2014-05-12

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