相对论通识

几乎所有物理学分支都着眼于对空间中物体的运动与时间关系的描述。而这样的描述基于一个参照物或者一个物体的位置。

我们可以设想一个原点构成一个三维的笛卡尔坐标系，这样由三个数字即可表示一个物体的位置，只要加入一些参数就可以基本解决物体运动的所有问题，国内有学者将这称为朴素相对论，并提出方程f（x；λ）=0/f（x+x0；λ）=0，这两个方程所描述的情况也就类似于中学物理中运动的描述，也贴合了拉普拉斯兽假设。但朴素相对论并不能解释大多数问题，因而第二代的相对性原理逐渐成熟。那便是牛顿力学与伽利略相对性原理所组成的相对性学说。即在坐标轴中描述物体运动，既有时间又有位置以及其他参量时，位置加上一个vt方程时不会发生变化的，此处的vt与上述的x又有所区别，我们可以将此处的vt看作x关于时间的一阶微分，此时伽利略的相对性原理也便逐渐显现，其背后也透出了伽利略变换的影子。但以上两种相对性原理却都含有经典物理学极大的局限性，即牛顿的绝对静止时空观，在这一时空观中我们对于空间的概念相当模糊，因此我们代以一句晦涩的话：相对于实际上可以看作一个刚性的参考物体的运动。为了完整地描述运动,物体的位置如何随时间的改变而改变是必须说明的这也是对物体每一点所对应时刻的一个说明。为了能更好地阐述,我们必须补充个关于时间的定义,借助该定义,时间值在本质上可以看作是可观测的量,测量的结果。根据经典力学观点,我们设想有两个构造完全相同的钟,在车厢的乘客拿着其中一个,人行道上的观察者拿着另一个,当每一滴答声响起时个观察者依据聆听到的声响来定石块相对于他们各自参考物所处的位置。因光的传播速度的有限性而造成的不准确性,我们在此没有计入。我们将在详细讨论这点,以及该处的另一主要困难。以上两种相对性原理都基于绝对时空观和时间的连续性，但在后期热力学的研究中，这种拉普拉斯兽的科学神话也被打破。随着近代物理的发展，第二代相对性原理也走向终结。

为了解决一些经典物理学无法解决的问题，相对论横空出世，而第三代相对性原理叫做狭义相对论。为了使论述尽可能清楚明确,还是回到匀速行驶中的火车车厢上来。该车厢的运动我们称之为一种匀速平移运动。假设一只大鸟鸦在空中飞过,从路基上观察,它的运动方式是匀速直线运动。我们可以用抽象的方式表述说:如果一质量M相对于一坐标系K做匀速直线运动,则该质量M相对于第二个坐标系K亦做匀速直线运动。因此,若K为一伽利略坐标系,则每一相对于k做匀速平移运动的坐标系K亦为一伽利略坐标系。相对于K1来说,正如相对于K一样,伽利略一牛顿力学定律也是成立的。如此,我们的推论在推广方面就前进了一步:K1是相对于K做匀速运动而无转动的坐标系,自然现象的运行相对于坐标系K1与相对于坐标系K一样依据同样的普遍定律。这称为狭义相对性原理。

    只要人们确信一切自然现象都能够借助于经典力学来得到完善的表述,就没有必要怀疑这个相对性原理的正确性。但是由于后来电动力学和光学方面的发人们越来越清楚地看到,经典力学为一切自然现象的物理描述所基础还是不够充分的。到这个时候,讨论相对性原理的正确性问题的时机就成熟了,而且在当时来说,要否定这个原理并非不可能。对相对性原理的正确性一开始就有两个强有力的普遍事实来支持这一艰点。经典力学虽然没有对一切物理现象在理论上的表述提供一个足够广阔的基础,但经典力学在相当大的程度上是“真理”,这是我们必须承认的,因为在对天体实际运动的描述中,经典力学所达到的精确度的确令人奇。因此,如果在为学(1的领域中应用相对性原理,必然将会达到很高的准确度。

在物理现象的某一领域內具有广泛的普遍性和极高准确度的原理,居然在另一领域中无效,从推理的观点来看是不大可能的。我们现在来讨论第二个论据,这个论据以后我们还将谈到。如果狭义相对性原理不成立,那么彼此做相对匀速运动的一系列伽利略坐标系K、K1、K2等,对于描述自然现象就非等效。在此情况下,我们不得不相信对自然界定律的表述另有一种特别简单的形式。很明显,这只能在下列条件下才能做到,即我们的参考物体在一切可能有的伽利略坐标系中,是挑选出来的对描述自然现象具有优点,并且具有特别的运动状态的坐标系(K)。这样我们就有理由称该坐标系是“绝对静止的”,而所有其他的伽利略坐标系K都是“运动的”。例如,将铁路路基设为坐标系K0,那么火车车厢就是坐标系K。就K与K成立的定律来说,相对于坐标系K成立的定律远比相对于坐标系K成立的定律简单。这种定律简单性的递减是由于车厢K相对于K而言是“真正”运动的。在参照K所表述的普遍的自然界定律中,车厢速度的大小和方向有必然的作用。这正如一个风琴的大小和方向必然是起作的样,一个风琴管的轴与运动的方向平行或垂直时,所发出的音调将是不同的。由于地球在环绕太阳的轨道上运动,因而我们可以把地球比作火车车厢,只不过这节车厢是以每秒大约30公里的速度行驶。如果相对性原理不正确,我们就应该预料到地球的运动方向在任一时刻将时会在自然界定律中表现出来,而且物理系统的行为也随其相对于地球的空间取向而定。因为公转1速度的方向变化,所以地球不可能相对于假设的坐标系K处于静止状态。然而,最小心仔细的观察也从没显示出地球实际空格(空间)的这种不同方向的物理不等效性,也就是各向异性。这一论据强有力地支持了相对性原理。

总结一下，狭义相对论以光速不变原理和狭义相对性原理作为两条基本公设：一是在任何参考系中光速都相等；二是在任何参考系中物理规律都相同，这两个公理的认识都基于对于绝对时空观和普适时间概念的放弃。当然狭义相对论也表示时间和空间从一个惯性系变换至另一个惯性系时满足洛伦兹变换而非伽利略变换。由狭义相对论得出几个结论：1.两事件发生是否同时或不同从不同参考系来看是不一样的；2.运动的物体比静止的物体短；3.运动的时钟比静止的时钟慢；4.物体的质量随速度增大而增大；5.仍和物体速度不能超过光速；5.物体质量与能量之间满足方程E=mc^2。

    爱因斯坦通过演算发现，狭义相对论只适用于匀速运动或静止状态，而当考虑到加速度时则需要新的理论，进而第四代相对性原理广义相对论诞生。

    狭义相对性原理已经被证明是合理的,而每一个想证明普遍化结果而努力的人必然想向着广义相对性原理的方向探索前进。从一种简明的考虑来看,这样一种企图就目前而论成功极为渺茫。我们还是将思绪转回匀速前行的火车车厢,在做匀速运动的车厢中,乘客是不会感到车厢在运动的。因为这个理由,他可以欣

然地做出“该例子表明车厢是静止的,而路基是运动的”的解释。而且按照狭义

相对性原理,从物理观点来看,这种解释也是十分合理的。如果车厢的运动现在变为非等速运动,例如猛然拉动刹车,那么车厢里的人就有一种身体倾向前方的猛烈运动,这种减速运动是物体相对于车厢里的人表现出来的一种力学运动,它与以前我们考虑的力学运动并不相同。因此,即使是对于静止或做匀速运动的车厢能成立的力学定律,也不可能对于做非匀速运动的车厢同样成立。无论如何,伽利略定律对于做非匀速运动的车厢显然是不成立的。因为这一原因,我们目前不得不暂时采用与广义相对性原理相反的做法,将一种绝对的物理实在性赋予非匀运动,但不久后我们就会看到,这个结论显然不能成立。

稍加总结，广义相对论有这几个推论：1.引力不是力而是物质弯曲时空的固有属性；2.广义相对论预言了引力波的存在；

相对论是对于整个宇宙的思考，从朴素相对论到广义相对论，学说所描述的范围一点点扩大，虽然人们普遍认为20世纪初出现了物理学大爆炸，但从朴素相对论看来不存在科学大爆炸，只是一代代物理人对于学术的兢兢业业与热情奉献。