大学物理论文

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牛顿时空观与爱因斯坦相对论

牛顿曾经长期担任英国皇家学会会长，他还担任过英国议会议员，授予爵士称号。1727年，他病逝，被安葬于威斯敏斯特教堂，这是一种极高的荣誉。

牛顿的哲学思想基本属于自发的唯物主义思想。牛顿认为时间、空间是客观存在的，但同时也认为时间和空间同运动的物质是脱离的，相互之间没有必然的联系，进而提出了所谓的绝对时间和绝对空间的概念。他所提出的形而上学的绝对时空观，虽然在解决宏观低速下运动物体的运动规律时能很好的适用，但在离开宏观低速的条件时，便无能为力了。

经典力学总结了低速物体的运动规律，它反映了牛顿的绝对时空观。绝对时空观认为时间和空间是两个相对时空观独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系。这就是力学相对性原理：一切力学规律在伽利略变换下是不变的。 然而现代科学证实，宇宙中根本不存在绝对静止的空间和物质，也不存在绝对流逝的时间。在爱因斯坦的相对论中，时间与空间都具有相对的意义，而且时间和空间是相互联系和相互制约的。

牛顿绝对时空观承认时间和空间的客观性，但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的。这在当时就引起了一些科学家和哲学家的思考和怀疑。特别是电磁理论的发展和十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后，绝对时空观更面临着严峻的局面。按麦氏方程中存在的常数c，表明电磁波或光在真空中沿各个方向均以不变的速度c传播，这与伽利略相对性原理发生了矛盾。因为据绝对时空观的经典速度合成定理，在不同惯性系中，光的传播速度不应在各个方向均相同。似乎只有在某一特殊参考系中，麦氏方程才取标准形式，光才在各个方向上均以c传播。人们曾引入“以太”假设，认为“以太”充满宇宙空间并绝对静止，光是“以太”介质中的波动。相应于“以太”的惯性系就是那个特殊参考系。这样，“以太”就充当了“绝对空间”的角色。通过测定物体相对于“以太”的“绝对运动”所引起的“以太风”就可期望找到“以太”。然而，尽管人们赋予“以太”各种各样光怪陆离的性质，仍难自圆其说。且反复实验的结果都是否定的，根本发现不了“以太风”。相反却证明了在任何惯性系中光速都是不变的。1887年的迈克尔孙——莫雷实验可看作否定“以太”的判决性实验，这使得牛顿绝对时空观遇到了根本性的困难。

1905年，爱因斯坦创立狭义相对论。提出了两条基本假设：1.在互作匀速直线运动的所有惯性系内，一切物理规律都是相同的。此即相对论的相对性原理。 2．在所有惯性系内，真空中的光速c在各个方向都相同，与光源的运动状态无关。此即光速不变原理。

这两条原理构成狭义相对论的基础，且从本质上改变了牛顿绝对时空观。既然按相对性原理，一切物理规律在任何惯性系中都相同，一切惯性系都是平权的，没有哪个惯性系更优越，这就使绝对空间的概念失去了意义。绝对时空观实际上包含着这样一个假定：存在信号传播的无限大速度，物质的相互作用是一种“瞬时超距作用”。所以存在“绝对时间”。爱因斯坦摒弃了“以太”观点，取消了无限大速度的溉念，认为真空中的光速c是信号传播的极限速度，这就动摇了绝






对时间的基础，从而接触到了时间和空间的相对性问题，揭示了空间和时间之间某种普遍而新颖的联系，引起人类时空观的变革。

从狭义相对论的两条基本原理出发，可以得出在沿x方向相互以速度v作匀速直线运动的两个惯性系k(x，y，z，t)和k'(x'，y'，z'，t')中，描述同一事件的时空坐标之间的变换关系为：******此即著名的洛仑兹变换式。它是相对论时空观的具体体现。由此容易得出，一个杆的长度(空间间隔)在两个惯性系中的关系为：***********即空间间隔是相对的。同一杆的长度在不同参考系中测出的结果是不同的。在相对于杆静止的k' 系中，杆测出的长度l'最大，在相对于k'运动的参考系中测出的长度则发生收缩，缩短为静止长度(或固有长度)的，所谓收缩只是测量效应，它取决于测量参考系与被测物体之间(客观)的关系。同样，

两事件的时间间隔在不同参考系中也是不同的，且与事件所在空间坐标有关。 而四维时空间隔则是不变的，所有这些充分表现了狭义相对论所引起的时空观的重大变革，它揭示了时间和空间的内在联系。以及对时空的测量依赖于参考系的选择。广义相对论则进一步指出，在无引力场存在时，时空是欧几里德特性的“平直”时空。而有引力场存在的时空，则是非欧几里德特性的“弯曲”时空，揭示了时空与物质及其运动之间的联系。这无疑是人类对时空认识的巨大进步，是时空观的重大变革，也是科学史上的一次伟大革命。

狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后，却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后，惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律的实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而“不受外力”是什么意思?只能说，不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系，但宇宙中却不存在真正的惯性系，整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连，必须修正，但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了，万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力，其中一种就冒出来捣乱，情况当然不会令人满意。

爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论，然而为解决这两个困难，建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位，把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究了惯性力后，提出了著名的等性原理，发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。几经曲折，爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃一惊，引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战：爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止，只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。爱

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