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相对论为什么有“狭义”和“广义”之分?

2018-04-18  施骏80

1955年4月18日,20世纪最伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦因患动脉瘤在美国普林斯顿逝世。说起爱因斯坦,都知道他提出了著名的相对论。但是你可知道,相对论为什么有“狭义”和“广义”之分呢?

相对论为什么有“狭义”和“广义”之分?

了解“相对论”对于研究现代物理学的人来说,是十分必要的。

据说,相对论的创始人阿耳伯特·爱因斯坦从小就思考这样两个问题:

(1)如果有人跟着光线跑,并努力赶上它,那么,这个人将看到些什么现象呢?

相对论为什么有“狭义”和“广义”之分?

(2)如果把一个人关在一架自由下落的升降机内,他将看到什么呢?

经过二十多年的思考和钻研,爱因斯坦终于找到了第一个问题的答案,创立了狭义相对论,并将他的这一成果于1905年公诸于世。但爱因斯坦并不满足于已取得的成就,他又围绕着第二个问题进行了深入的探索,经过十一年坚持不懈的努力,于1916年,进一步建立了广义相对论。

相对论为什么有“狭义”和“广义”之分呢?这和物理学中“相对性原理”的推广范围有关。我们知道,为了观察和描述物体的运动,需要有一个参照的标准。例如,从飞机内部看机上的乘客,他是坐在那儿不动的;从地面上观察,乘客却随飞机一起飞行。究竟这乘客是静止还是在运动,就看观察者所参照的标准了。物理学上,把这种参照标准称作参照系。任何事物都可以当作参照系,海中的岛屿、天上的星星、行驶的火车、静止的路标……参照系选得好,观察和研究起来就方便。

相对论为什么有“狭义”和“广义”之分?

根据参照系相对于观察者的运动情况,参照系又可以分为惯性系和非惯性系两大类。相对于观察者是静止的或在作匀速直线运动的参照系统称为惯性系。静止或作匀速直线运动在物理学上称作加速度为零的运动。因此,惯性系又可以看作是参照系相对于观察者不作加速运动的情况;而非惯性系则可看成是参照系相对于观察者在作加速运动的情况,并可称之为加速系。我们在观察地面上的运动物体时,可以把地球近似地当作惯性系。在研究地球或其他行星的运动时,就要以太阳或其他恒星作惯性系。

相对论的核心思想之一是“相对性原理”。上面已经讲到,在不同的参照系里描述同一事物的运动形式,其情况也不同。但是,在不同的参照系里运动的物体是否遵循同样的规律呢?例如,在一艘作匀速直线航行的海轮上,和一个在地面上的静止实验室里分头作力学实验:两只摆长相同的摆钟,它们的摆动周期是否一样呢?在两根一样的弹簧下各挂1千克的砝码,它们的伸长是否一样呢?在相同的高度上,让两块一样质量的铁块自由下落,它们是否同时落到地上呢?……早在力学发展的初期,物理学家们就总结出,在所有的惯性系中,力学运动的规律都相同,这就是经典力学的相对性原理。

19世纪中期,电磁学有了很大的发展,经典的电磁理论建立起来并趋于完备。这不仅使人类从蒸汽时代进入电气时代,而且也为相对论的诞生准备了摇篮。爱因斯坦在他创立的狭义相对论中,把经典力学中的相对性原理推广到包括电磁学在内的整个物理学领域,建立了新的相对性原理,即:物理规律(不仅是力学规律,也包括电磁运动的规律)在所有的惯性系中都是一样的。而在广义相对论中,爱因斯坦又把这个原理作了进一步的推广,即:物理规律不仅在所有的惯性系中都一样,而且在所有的加速系中也相同。换句话说,物理规律在所有的参考系中都一样。

相对论为什么有“狭义”和“广义”之分?

由于相对性原理先是在惯性系中,从力学规律推广到所有的物理规律,后来又在广泛的意义上推广到所有的参照系,这就使相对论有了“狭义”和“广义”之分。

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