相對(duì)論的誕生

1、素材一：宇宙廣義的宇宙定義是萬(wàn)物的總稱， 是時(shí)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(duì)宇宙的定義，有西漢的淮南子：“往古來(lái)今謂之宙，四方上下謂之宇”。通過(guò)宇宙微波背景輻射的觀測(cè)發(fā)現(xiàn)我們的宇宙已經(jīng)膨脹了宇宙的直徑可達(dá)到 920 億光年，甚至更大。138.2億年，最新的研究認(rèn)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(xué)模型， 這一模型得到了當(dāng)今科學(xué)研究和觀測(cè)最廣泛且最精確的支持。 宇宙學(xué)家通常所指的大爆炸觀點(diǎn)為： 宇宙是在過(guò)去有限的時(shí)間之前， 由一個(gè)密度極大且溫度極高的太初狀態(tài)演變而來(lái)的， 并經(jīng)過(guò)不斷的膨脹到達(dá)今天的狀態(tài)。暗物質(zhì)和暗能量分別通過(guò)對(duì)普通物質(zhì)產(chǎn)生的引力作用和推動(dòng)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(wàn)有引力作用就會(huì)減慢宇宙的膨脹， 但是天文觀測(cè)表明我們的宇宙在做加速膨脹運(yùn)動(dòng)。宇宙由一切天體組成。素材二：狹義相對(duì)論狹義相對(duì)論建立在如下的兩個(gè)基本假設(shè)上：狹義相對(duì)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(duì)于一位靜止在實(shí)驗(yàn)室里的觀察者和一個(gè)相對(duì)于實(shí)驗(yàn)室高速勻速運(yùn)動(dòng)著的電子是相同的。光速不變?cè)恚?真空中的光速在任何參考系下是恒定不變的，這用幾何語(yǔ)言可以表述為光子在時(shí)空中的世界線總是類光的。也正是由于光子有這樣的實(shí)驗(yàn)性質(zhì)，在國(guó)際單位制中使用了 “光在真空中1/299,792,458秒內(nèi)所走過(guò)的距離”來(lái)定義長(zhǎng)度單位“米 ”（米）。光速不變?cè)硎怯钪鏁r(shí)空對(duì)稱性的體現(xiàn)，而中微子的超光速現(xiàn)象可能只是時(shí)空對(duì)稱性的對(duì)稱破缺而決不能推翻相對(duì)論（已證實(shí)該實(shí)驗(yàn)有誤）。在狹義相對(duì)論提出以前，人們認(rèn)為時(shí)間和空

4、間是各自獨(dú)立的絕對(duì)的存在，自伽利略時(shí)代以來(lái)這種絕對(duì)時(shí)空的觀念就開(kāi)始建立，牛頓創(chuàng)立的牛頓經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典運(yùn)動(dòng)學(xué)就是在絕對(duì)時(shí)空觀的基礎(chǔ)上創(chuàng)立。而愛(ài)因斯坦的相對(duì)論在牛頓經(jīng)典力學(xué)、麥克斯韋經(jīng)典電磁學(xué)等的基礎(chǔ)上首次提出了 “四維時(shí)空 ”的概念，它認(rèn)為時(shí)間和空間各自都不是絕對(duì)的，而絕對(duì)的是一個(gè)它們的整體 時(shí)空，在時(shí)空中運(yùn)動(dòng)的觀者可以建立“自己的 ”參照系，可以定義“自己的 ”時(shí)間和空間（即對(duì)四維時(shí)空做“3+1分解 ”），而不同的觀者所定義的時(shí)間和空間可以是不同的。具體的來(lái)說(shuō)，在閔氏時(shí)空中:如果一個(gè)慣性觀者（G）相對(duì)于另一個(gè)慣性觀者（G）在做勻速運(yùn)動(dòng)，則他們所定義的時(shí)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(dǎo)出“尺縮 ”、“鐘慢 ”等效應(yīng)，具體見(jiàn)狹義相對(duì)論條目。因?yàn)閻?ài)因斯坦之前的科學(xué)家們并沒(méi)有高速運(yùn)動(dòng)的觀測(cè)和體驗(yàn)，所以絕對(duì)時(shí)空觀在古代科技水平下無(wú)疑是真理，而愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論更新了人們的世界觀，為廣義相對(duì)論的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。在愛(ài)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(wèn)題，也有人（如龐加萊和洛倫茲）注意到愛(ài)因斯坦提出狹義相對(duì)論所基于的實(shí)驗(yàn)（如邁克爾孫-莫雷干涉儀實(shí)驗(yàn)等），也有人推導(dǎo)出過(guò)與愛(ài)因斯坦類似的數(shù)學(xué)表達(dá)式（如洛倫茲變換），但只有愛(ài)因斯坦將這些因素與經(jīng)典物理的時(shí)空觀結(jié)合起來(lái)提出了狹義相對(duì)論，并極大的改

6、變了我們的時(shí)空觀。在這一點(diǎn)上，狹義相對(duì)論是革命性的。素材三：邁克耳孫莫雷實(shí)驗(yàn)邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)(Michelson-Morley Experiment)，是 1887 年邁克爾遜和莫雷在美國(guó)克利夫蘭做的用邁克爾遜干涉儀測(cè)量?jī)纱怪惫獾墓馑俨钪档囊豁?xiàng)著名的物理實(shí)驗(yàn)。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(rèn)了以太 （絕對(duì)靜止參考系）的存在，從而動(dòng)搖了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)，成為近代物理學(xué)的一個(gè)發(fā)端，在物理學(xué)發(fā)展史上占有十分重要的地位。在 1887 年到 1905 年之間，人們?cè)?jīng)好幾次企圖去解釋邁克爾遜 莫雷實(shí)驗(yàn)。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(duì)邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)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(duì)于以太靜止的量桿的長(zhǎng)度， 將完全由量桿粒子間取得的靜電平衡決定，而量桿相對(duì)于以太在運(yùn)動(dòng)時(shí)， 量桿就會(huì)縮短， 因?yàn)榻M成量桿的帶電粒子將會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，從而改變這些粒子之間的間隔平衡。這一來(lái)，邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)所使用的儀器，當(dāng)它指向地球運(yùn)動(dòng)的方向時(shí)就會(huì)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(cè)量菲茨杰拉德的縮短值，但都沒(méi)有成功。這類實(shí)驗(yàn)表明菲茨杰拉德的縮短，在一個(gè)運(yùn)動(dòng)體系內(nèi)是不能被處在這個(gè)運(yùn)動(dòng)體系內(nèi)的觀察者測(cè)量到的， 所以他們無(wú)法判斷他們體系內(nèi)的絕對(duì)速度，光學(xué)的定律和各種電磁現(xiàn)象是不受絕對(duì)速度的

8、影響的。再者，動(dòng)系中的短縮，乃是所有物體皆短縮，而動(dòng)系中的人，是無(wú)法測(cè)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(yùn)動(dòng)光源所發(fā)射出來(lái)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(shuō)， 企圖以此解釋邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)。彈道假說(shuō)由天文學(xué)上觀測(cè)雙星運(yùn)動(dòng)結(jié)果易于排除，德 希特于 1931年在萊頓大學(xué)指出，如果是這樣的話，那么一對(duì)相互環(huán)繞運(yùn)動(dòng)的星體將會(huì)出現(xiàn)表觀上的異常運(yùn)動(dòng)，而這種現(xiàn)象并沒(méi)有觀察到。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)， 光的速度與光源的速度無(wú)關(guān)。 由此也證明了愛(ài)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(méi)

9、有一種靜止的以太傳播光波振動(dòng)，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(xué)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(diǎn)可以解釋邁克爾遜莫雷實(shí)驗(yàn)，并承認(rèn)以太存在，光速變化。1895 年洛侖茲提出了更為精確的長(zhǎng)度收縮公式， 順手把時(shí)間也調(diào)慢了一點(diǎn)，這就是著名的洛侖茲變換。通過(guò)以太的運(yùn)動(dòng)物體，縱向線度發(fā)生收縮（平行運(yùn)動(dòng)方向）， 其收縮的比例恰好符合邁克爾遜 莫雷實(shí)驗(yàn)的計(jì)算。 同時(shí)這個(gè)方向的時(shí)間也變慢，這樣這個(gè)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(dòng)時(shí)間？沒(méi)有人知道，也沒(méi)有理論依據(jù)。 這個(gè)光速不變的版本，承認(rèn)以太存在。 沒(méi)有悖論。根據(jù)他的設(shè)想

10、，觀察者相對(duì)于以太以一定速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，長(zhǎng)度在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生收縮，以解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)，時(shí)間變慢，以滿足光速在量桿運(yùn)動(dòng)方向沒(méi)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(diǎn)10 年后， 愛(ài)因斯坦認(rèn)為既然光速不變，作為靜止參考系的以太就沒(méi)有理由存在。于是拋棄靜止參考系以太、以光速不變?cè)砗酮M義相對(duì)性原理為基本假設(shè)的基礎(chǔ)上建立了狹義相對(duì)論。同時(shí)保留洛侖茲變換來(lái)解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)和光速不變。 愛(ài)因斯坦的洛侖茲變換是指純數(shù)學(xué)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(shí)質(zhì)性的物理意義。（比如兩輛速度不同的火箭經(jīng)過(guò)太陽(yáng)系，那么從慢速火箭上看地球與太陽(yáng)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(yáng)光輻射強(qiáng)度緊密相關(guān)。 而實(shí)際地球與太陽(yáng)引力大小和陽(yáng)光輻射強(qiáng)度與兩輛火箭的速度沒(méi)有任何關(guān)系。）相對(duì)論認(rèn)為空間和時(shí)間并不相互獨(dú)立，而是一個(gè)統(tǒng)一的四維時(shí)空整體。在狹義相對(duì)論中