相對論的誕生

1、素材一：宇宙廣義的宇宙定義是萬物的總稱， 是時間和空間的統(tǒng)一。 狹義的宇宙定義是地球大氣層以外的空間和物質(zhì)。 “宇宙航行 ”的“宇宙 ”定義就是狹義的 “宇宙 ”定義，宇宙航行意思就是在大氣層以外的空間航行。古代對宇宙的定義，有西漢的淮南子：“往古來今謂之宙，四方上下謂之宇”。通過宇宙微波背景輻射的觀測發(fā)現(xiàn)我們的宇宙已經(jīng)膨脹了宇宙的直徑可達到 920 億光年，甚至更大。138.2億年，最新的研究認為人類所觀察到的部分宇宙的物件大約是由塵埃的物質(zhì)） 或 “重子 ”，26.8% 的暗物質(zhì)和4.9% 的普通物質(zhì)（構(gòu)成恒星、行星、氣體和68.3% 的暗能量構(gòu)成。 重子物質(zhì)構(gòu)成星系際的“蛛網(wǎng)”。在宇宙中

2、，地球是目前人類所知唯一一顆有生命存在的星球。宇宙大爆炸是描述宇宙誕生初始條件及其后續(xù)演化的宇宙學模型， 這一模型得到了當今科學研究和觀測最廣泛且最精確的支持。 宇宙學家通常所指的大爆炸觀點為： 宇宙是在過去有限的時間之前， 由一個密度極大且溫度極高的太初狀態(tài)演變而來的， 并經(jīng)過不斷的膨脹到達今天的狀態(tài)。暗物質(zhì)和暗能量分別通過對普通物質(zhì)產(chǎn)生的引力作用和推動宇宙做加速膨脹而表明它們的存在。 如果暗能量不存在， 那么物質(zhì)間的萬有引力作用就會減慢宇宙的膨脹， 但是天文觀測表明我們的宇宙在做加速膨脹運動。宇宙由一切天體組成。素材二：狹義相對論狹義相對論建立在如下的兩個基本假設(shè)上：狹義相對性原理 （狹義

3、協(xié)變性原理） ：一切的慣性參考系都是平權(quán)的， 即物理規(guī)律的形式在任何的慣性參考系中是相同的。 這意味著物理規(guī)律對于一位靜止在實驗室里的觀察者和一個相對于實驗室高速勻速運動著的電子是相同的。光速不變原理： 真空中的光速在任何參考系下是恒定不變的，這用幾何語言可以表述為光子在時空中的世界線總是類光的。也正是由于光子有這樣的實驗性質(zhì)，在國際單位制中使用了 “光在真空中1/299,792,458秒內(nèi)所走過的距離”來定義長度單位“米 ”（米）。光速不變原理是宇宙時空對稱性的體現(xiàn)，而中微子的超光速現(xiàn)象可能只是時空對稱性的對稱破缺而決不能推翻相對論（已證實該實驗有誤）。在狹義相對論提出以前，人們認為時間和空

4、間是各自獨立的絕對的存在，自伽利略時代以來這種絕對時空的觀念就開始建立，牛頓創(chuàng)立的牛頓經(jīng)典力學和經(jīng)典運動學就是在絕對時空觀的基礎(chǔ)上創(chuàng)立。而愛因斯坦的相對論在牛頓經(jīng)典力學、麥克斯韋經(jīng)典電磁學等的基礎(chǔ)上首次提出了 “四維時空 ”的概念，它認為時間和空間各自都不是絕對的，而絕對的是一個它們的整體 時空，在時空中運動的觀者可以建立“自己的 ”參照系，可以定義“自己的 ”時間和空間（即對四維時空做“3+1分解 ”），而不同的觀者所定義的時間和空間可以是不同的。具體的來說，在閔氏時空中:如果一個慣性觀者（G）相對于另一個慣性觀者（G）在做勻速運動，則他們所定義的時間（t 與 t）和空間（ x,y,z 與

5、x,y,z ）之間滿足洛倫茲變換。而在這一變換關(guān)系下就可以推導出“尺縮 ”、“鐘慢 ”等效應，具體見狹義相對論條目。因為愛因斯坦之前的科學家們并沒有高速運動的觀測和體驗，所以絕對時空觀在古代科技水平下無疑是真理，而愛因斯坦的狹義相對論更新了人們的世界觀，為廣義相對論的誕生奠定了堅實的基礎(chǔ)。在愛因斯坦以前，人們廣泛的關(guān)注于麥克斯韋方程組在伽利略變換下不協(xié)變的問題，也有人（如龐加萊和洛倫茲）注意到愛因斯坦提出狹義相對論所基于的實驗（如邁克爾孫-莫雷干涉儀實驗等），也有人推導出過與愛因斯坦類似的數(shù)學表達式（如洛倫茲變換），但只有愛因斯坦將這些因素與經(jīng)典物理的時空觀結(jié)合起來提出了狹義相對論，并極大的改

6、變了我們的時空觀。在這一點上，狹義相對論是革命性的。素材三：邁克耳孫莫雷實驗邁克爾遜莫雷實驗(Michelson-Morley Experiment)，是 1887 年邁克爾遜和莫雷在美國克利夫蘭做的用邁克爾遜干涉儀測量兩垂直光的光速差值的一項著名的物理實驗。但結(jié)果證明光速在不同慣性系和不同方向上都是相同的，由此否認了以太 （絕對靜止參考系）的存在，從而動搖了經(jīng)典物理學基礎(chǔ)，成為近代物理學的一個發(fā)端，在物理學發(fā)展史上占有十分重要的地位。在 1887 年到 1905 年之間，人們曾經(jīng)好幾次企圖去解釋邁克爾遜 莫雷實驗。1.喬治 菲茨杰拉德 （GeorgeFitzGerald）根據(jù)麥克斯韋電磁理論

7、在1889年對邁克爾遜莫雷實驗提出了一種解釋。菲茨杰拉德指出如果物質(zhì)是由帶電荷的粒子組成，一根相對于以太靜止的量桿的長度， 將完全由量桿粒子間取得的靜電平衡決定，而量桿相對于以太在運動時， 量桿就會縮短， 因為組成量桿的帶電粒子將會產(chǎn)生磁場，從而改變這些粒子之間的間隔平衡。這一來，邁克爾遜莫雷實驗所使用的儀器，當它指向地球運動的方向時就會縮短，而縮短的程度正好抵消光速的減慢。有些人曾經(jīng)試行測量菲茨杰拉德的縮短值，但都沒有成功。這類實驗表明菲茨杰拉德的縮短，在一個運動體系內(nèi)是不能被處在這個運動體系內(nèi)的觀察者測量到的， 所以他們無法判斷他們體系內(nèi)的絕對速度，光學的定律和各種電磁現(xiàn)象是不受絕對速度的

8、影響的。再者，動系中的短縮，乃是所有物體皆短縮，而動系中的人，是無法測量到自己短縮值的。2.里茨在 1908 年設(shè)想光速是依賴于光源的速度的，即運動光源所發(fā)射出來的光線速度與光源速度以矢量方式相加，光速，也就是以太流的影響被以太內(nèi)的光速和光源的速度所抵消。一般稱為彈道假說， 企圖以此解釋邁克爾遜莫雷實驗。彈道假說由天文學上觀測雙星運動結(jié)果易于排除，德 希特于 1931年在萊頓大學指出，如果是這樣的話，那么一對相互環(huán)繞運動的星體將會出現(xiàn)表觀上的異常運動，而這種現(xiàn)象并沒有觀察到。觀測發(fā)現(xiàn)， 光的速度與光源的速度無關(guān)。 由此也證明了愛因斯坦提出的光速和不受光源速度和觀察者的影響是正確的， 而且既然沒

9、有一種靜止的以太傳播光波振動，牛頓關(guān)于光速可以增加的看法就必須拋棄。3.1892 年，荷蘭物理學家洛侖茲也提出了與喬治菲茨杰拉德相同的量桿收縮解釋。這一觀點可以解釋邁克爾遜莫雷實驗，并承認以太存在，光速變化。1895 年洛侖茲提出了更為精確的長度收縮公式， 順手把時間也調(diào)慢了一點，這就是著名的洛侖茲變換。通過以太的運動物體，縱向線度發(fā)生收縮（平行運動方向）， 其收縮的比例恰好符合邁克爾遜 莫雷實驗的計算。 同時這個方向的時間也變慢，這樣這個方向的光的速度保持不變。這是光速不變的最早模型。 為什么要改動時間？沒有人知道，也沒有理論依據(jù)。 這個光速不變的版本，承認以太存在。 沒有悖論。根據(jù)他的設(shè)想

10、，觀察者相對于以太以一定速度運動時，長度在運動方向上發(fā)生收縮，以解釋邁克爾遜-莫雷實驗，時間變慢，以滿足光速在量桿運動方向沒有發(fā)生變化。這樣洛侖茲就在不拋棄以太概念的前提下，提出光速不變。2-34.1905 年，在洛侖茲提出光速不變觀點10 年后， 愛因斯坦認為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒有理由存在。于是拋棄靜止參考系以太、以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了狹義相對論。同時保留洛侖茲變換來解釋邁克爾遜-莫雷實驗和光速不變。 愛因斯坦的洛侖茲變換是指純數(shù)學的空間縮短，不再是組成量桿的帶電粒子距離縮短。 而且這種空間縮短不具有任何實質(zhì)性的物理意義。（比如兩輛速度不同的火箭經(jīng)過太陽系，那么從慢速火箭上看地球與太陽的空間距離與快速火箭上的看到的空間距離不同，空間距離的物理意義在于引力大小， 和陽光輻射強度緊密相關(guān)。 而實際地球與太陽引力大小和陽光輻射強度與兩輛火箭的速度沒有任何關(guān)系。）相對論認為空間和時間并不相互獨立，而是一個統(tǒng)一的四維時空整體。在狹義相對論中