大物第相對(duì)論點(diǎn)(相對(duì)論的知識(shí)點(diǎn))

1.相對(duì)論的知識(shí)點(diǎn)

簡(jiǎn)單點(diǎn)說，廣義相對(duì)論的“廣義”體現(xiàn)在它把“物理規(guī)律可表為同一形式”從狹義相對(duì)論所描述的“慣性系”推廣到了“任意參考系”。

具體來說，如下：

【狹義相對(duì)論】

了解狹義相對(duì)論，首先要了解狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)：

(1)相對(duì)性原理：所有的慣性系等價(jià)。物理規(guī)律對(duì)于所有慣性系都表示為同一形式；

(2)光速不變?cè)恚赫婵罩械墓馑傧鄬?duì)于任何慣性系沿任一方向恒為c，且與光源運(yùn)動(dòng)無關(guān)。

狹義相對(duì)論的基本內(nèi)容：

(1)慣性系之間時(shí)空坐標(biāo)的洛倫茲變換及其物理意義，這是相對(duì)論時(shí)空觀的集中反映；

(2)物理規(guī)律的協(xié)變性，即物理規(guī)律在任意慣性系中可表為同一形式；

(3)把麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式表為協(xié)變形式，從而使電動(dòng)力學(xué)成為明顯相對(duì)論性的理論，用于解決任意速度帶電粒子與電磁場(chǎng)的相互作用問題。

狹義相對(duì)論效應(yīng)對(duì)于“微觀、高速”的粒子表現(xiàn)明顯。

【廣義相對(duì)論】

兩個(gè)基本原理：

(1)等效原理：在處于均勻的恒定引力場(chǎng)影響下的慣性系，所發(fā)生的一切物理現(xiàn)象，可以和一個(gè)不受引力場(chǎng)影響的，但以恒定加速度運(yùn)動(dòng)的非慣性系內(nèi)的物理現(xiàn)象完全相同；（即“引力”與“慣性力”等效）

(2)廣義相對(duì)論的相對(duì)性原理：所有非慣性系和有引力場(chǎng)存在的慣性系對(duì)于描述物理現(xiàn)象都是等價(jià)的。（即物理規(guī)律在任意參考系中具有相同形式）

廣義相對(duì)論是基于狹義相對(duì)論的，它認(rèn)為引力是由空間-時(shí)間幾何的畸變引起的，它不是傳統(tǒng)意義上的力，而是因時(shí)空中的物質(zhì)與能量而彎曲的時(shí)空。

狹義相對(duì)論和萬(wàn)有引力定律都是廣義相對(duì)論的特例，前者是沒有重力的情形，后者是距離近、引力小和速度慢的情形。

廣義相對(duì)論還認(rèn)為“物體在時(shí)空幾何中沿著最短路徑運(yùn)動(dòng)”。

若時(shí)空中沒有引力，則沿直線運(yùn)動(dòng)；若時(shí)空中有引力造成時(shí)空畸變，則沿“測(cè)地線”（大圓）運(yùn)動(dòng)。

2.狹義相對(duì)論中的重要知識(shí)點(diǎn)和主要公式

什么是狹義相對(duì)論

楊升山

2005年被稱為愛因斯坦年，形成學(xué)習(xí)狹義相對(duì)論的熱潮，我有幸得到北京廣播學(xué)院（現(xiàn)名中國(guó)傳媒大學(xué)）的黃志洵教授的書。書名為：，對(duì)狹義相對(duì)論的分析比較系統(tǒng)，對(duì)超光速的研究也很投入。

狹義相對(duì)論是A。愛因斯坦創(chuàng)立的理論，主要內(nèi)容是依據(jù)兩個(gè)公設(shè)與一個(gè)變換。

一個(gè)變換是洛侖茲變換（不同慣性系之間的變換必須是loretz變換）。

兩個(gè)公設(shè)是：相對(duì)性原理（就是：物理定律在一切慣性系中都相同。）與光速不變?cè)恚ň褪牵汗庠谡婵罩锌傆写_定速度，與觀察者或光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)）。

從而有四個(gè)推論（運(yùn)動(dòng)的尺變短；運(yùn)動(dòng)的鐘變慢；光子的靜質(zhì)量為零；物質(zhì)不可能超過光速）和三個(gè)關(guān)系式（速度合成公式；質(zhì)量速度公式；質(zhì)能關(guān)系式）。

我認(rèn)為，狹義相對(duì)論并不是科學(xué)理論，請(qǐng)看下面的問題：

同類的問題為什么不能用同樣的解釋法？

例一：烏魯木齊市有一腎外傷病人，已經(jīng)出現(xiàn)尿中毒癥狀，急需透析或換腎，否則最多再活12小時(shí)，經(jīng)上網(wǎng)查詢，坐火車從烏魯木齊到上海最快也要47小時(shí)，他乘火車肯定會(huì)死在半路上，請(qǐng)求空軍部隊(duì)支援后，他的病得到及時(shí)救治。對(duì)于他來說，，可以說空軍部隊(duì)把烏魯木齊與上海的距離拉近了；也可以說，空軍部隊(duì)延長(zhǎng)了他的生命，人們都說飛機(jī)比火車快。

例二：離地表20公里的高空產(chǎn)生的μ介子，固有壽命僅2。2微秒，即使它依光速運(yùn)動(dòng)，最多也只能走660米，事實(shí)上它能跑到地面上，狹義相對(duì)論解釋說，它把自己的壽命延長(zhǎng)了，或者說它把這段距離縮短了，人們?yōu)槭裁床荒苷f它的速度比光速快？

對(duì)于病人，至于搶救后的生命延續(xù)，我并沒有考慮在內(nèi)，我只考慮從烏魯木齊市到上海這段行程。他們都有有限的壽命，都行走了一段距離，都可以用兩種速度計(jì)算，為什么不是同類問題？我想問一問，狹義相對(duì)論是不是錯(cuò)了？

狹義相對(duì)論把超過光速的運(yùn)動(dòng)物體都說成是速度不超過光速，就像把飛機(jī)的速度說成是沒有火車快一樣，同樣能解釋許多問題，可是這些解釋都是似是而非的。狹義相對(duì)論說的（時(shí)延與尺縮）效應(yīng)，都只有運(yùn)動(dòng)物體自己感覺到，對(duì)周圍環(huán)境沒有影響就是證明。再說空間與量桿是同時(shí)縮短的，量度的數(shù)據(jù)也不變呀！高空中的μ介子從20公里外能跑到地面，只用。2。2微秒時(shí)間這個(gè)事實(shí)，說明它就是超光速運(yùn)動(dòng)物體。

現(xiàn)代，對(duì)于基本粒子的研究，大多采用“速度選擇儀”測(cè)定速度，測(cè)量高能粒子的速度選擇儀從未測(cè)到過超光速粒子，我認(rèn)為是儀器測(cè)量發(fā)生了誤差，，只要把“速度選擇儀”測(cè)得的速度V測(cè)代 入V實(shí)=V測(cè)/（1-V2測(cè)/c2,0）1/2,0

求出真實(shí)速度V實(shí)所謂質(zhì)量變化，長(zhǎng)度變化，時(shí)間變化都不存實(shí)系在了。經(jīng)典力學(xué)就可應(yīng)用了。

這樣，空間、時(shí)間、質(zhì)量都保持恒定，經(jīng)典力學(xué)就可以應(yīng)用了。

如果硬要說超光速運(yùn)動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)速度低于光速，那和硬說飛機(jī)的速度沒有火車快有什么兩樣？

如科普著作《物理世界奇遇記》中說：“究竟是我們騎得快，還是街道變得短，這又有什么不同嗎？我需要跑過十個(gè)交叉路口才能到達(dá)郵局，如果蹬得快一點(diǎn)，街道也就會(huì)變得短一些，而我們也就到得早一些。瞧，我們事實(shí)上已經(jīng)到了?！睂?shí)際上，這種說法就是要求能夠解釋過去就行了，至于是不是科學(xué)的解釋，那是用不著去關(guān)心的。在自然科學(xué)的新發(fā)現(xiàn)沖擊物理學(xué)經(jīng)典理論的浪濤中，許多科學(xué)家滿足于能夠解釋自然現(xiàn)象，“狹義相對(duì)論”的產(chǎn)生正好迎合了這種思潮。

在《新浪愛問》里。我多次勸告學(xué)生們，不要在學(xué)業(yè)沒完成時(shí)去鉆研相對(duì)論，應(yīng)該照著老師教得去記。不然他們會(huì)得不到學(xué)分，連畢業(yè)都難呀！

愛因斯坦只不過運(yùn)氣太好了。他生在原有的科學(xué)知識(shí)遇到問題而急需解釋的時(shí)候，雖然不太正確的理論也會(huì)受歡迎。

他的同時(shí)性的校對(duì)方法是根本不能實(shí)現(xiàn)的。

洛倫茲變換還有另兩個(gè)結(jié)果：時(shí)間縮短與空間膨脹。

它采用幾何學(xué)形狀與運(yùn)動(dòng)學(xué)形狀，應(yīng)用時(shí)又不刻意區(qū)分。

他的幾個(gè)推論是不能同時(shí)應(yīng)用的，只能是--------也可以等價(jià)的用。

我是不會(huì)贊成這個(gè)理論的。

經(jīng)過大量宣傳，我們學(xué)校的各種課本及課外讀物中，到處可看的介紹相對(duì)論的圖文，甚至小學(xué)生的讀物中也有，我不知道這樣做會(huì)對(duì)我國(guó)的教育有事么影響，我想只會(huì)造成思維混亂。

3.求一些與相對(duì)論有關(guān)的基礎(chǔ)知識(shí)

相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論，主要由愛因斯坦（Albert Einstein）創(chuàng)立，分為狹義相對(duì)論（特殊相對(duì)論）和廣義相對(duì)論（一般相對(duì)論）。

相對(duì)論的基本假設(shè)是光速不變?cè)?，相?duì)性原理和等效原理。相對(duì)論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。

奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，不適用于高速運(yùn)動(dòng)的物體和微觀條件下的物體。相對(duì)論解決了高速運(yùn)動(dòng)問題；量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問題。

相對(duì)論極大的改變了人類對(duì)宇宙和自然的“常識(shí)性”觀念，提出了“同時(shí)的相對(duì)性”，“四維時(shí)空”“彎曲空間”等全新的概念。

4.有相對(duì)論的知識(shí)

狹義相對(duì)論就是 狹義相對(duì)論是建立在四維時(shí)空觀上的一個(gè)理論，因此要弄清相對(duì)論的內(nèi)容，要先對(duì)相對(duì)論的時(shí)空觀有個(gè)大體了解。

在數(shù)學(xué)上有各種多維空間，但目前為止，我們認(rèn)識(shí)的物理世界只是四維，即三維空間加一維時(shí)間。現(xiàn)代微觀物理學(xué)提到的高維空間是另一層意思，只有數(shù)學(xué)意義，在此不做討論。

四維時(shí)空是構(gòu)成真實(shí)世界的最低維度，我們的世界恰好是四維，至于高維真實(shí)空間，至少現(xiàn)在我們還無法感知。一把尺子在三維空間里（不含時(shí)間）轉(zhuǎn)動(dòng)，其長(zhǎng)度不變，但旋轉(zhuǎn)它時(shí)，它的各坐標(biāo)值均發(fā)生了變化，且坐標(biāo)之間是有聯(lián)系的。

四維時(shí)空的意義就是時(shí)間是第四維坐標(biāo)，它與空間坐標(biāo)是有聯(lián)系的，也就是說時(shí)空是統(tǒng)一的，不可分割的整體，它們是一種”此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系。 四維時(shí)空不僅限于此，由質(zhì)能關(guān)系知，質(zhì)量和能量實(shí)際是一回事，質(zhì)量（或能量）并不是獨(dú)立的，而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的，比如速度越大，質(zhì)量越大。

在四維時(shí)空里，質(zhì)量（或能量）實(shí)際是四維動(dòng)量的第四維分量，動(dòng)量是描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量，因此質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的了。在四維時(shí)空里，動(dòng)量和能量實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一，稱為能量動(dòng)量四矢。

另外在四維時(shí)空里還定義了四維速度，四維加速度，四維力，電磁場(chǎng)方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場(chǎng)方程組的四維形式更加完美，完全統(tǒng)一了電和磁，電場(chǎng)和磁場(chǎng)用一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)張量來描述。

四維時(shí)空的物理定律比三維定律要完美的多，這說明我們的世界的確是四維的?？梢哉f至少它比牛頓力學(xué)要完美的多。

至少由它的完美性，我們不能對(duì)它妄加懷疑。 相對(duì)論中，時(shí)間與空間構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維時(shí)空，能量與動(dòng)量也構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維動(dòng)量。

這說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯(lián)系。在今后論及廣義相對(duì)論時(shí)我們還會(huì)看到，時(shí)空與能量動(dòng)量四矢之間也存在著深刻的聯(lián)系。

物質(zhì)在相互作用中作永恒的運(yùn)動(dòng)，沒有不運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)，也沒有無物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，由于物質(zhì)是在相互聯(lián)系，相互作用中運(yùn)動(dòng)的，因此，必須在物質(zhì)的相互關(guān)系中描述運(yùn)動(dòng)，而不可能孤立的描述運(yùn)動(dòng)。也就是說，運(yùn)動(dòng)必須有一個(gè)參考物，這個(gè)參考物就是參考系。

伽利略曾經(jīng)指出，運(yùn)動(dòng)的船與靜止的船上的運(yùn)動(dòng)不可區(qū)分，也就是說，當(dāng)你在封閉的船艙里，與外界完全隔絕，那么即使你擁有最發(fā)達(dá)的頭腦，最先進(jìn)的儀器，也無從感知你的船是勻速運(yùn)動(dòng)，還是靜止。更無從感知速度的大小，因?yàn)闆]有參考。

比如，我們不知道我們整個(gè)宇宙的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，因?yàn)橛钪媸欠忾]的。愛因斯坦將其引用，作為狹義相對(duì)論的第一個(gè)基本原理：狹義相對(duì)性原理。

其內(nèi)容是：慣性系之間完全等價(jià)，不可區(qū)分。 著名的麥克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)徹底否定了光的以太學(xué)說，得出了光與參考系無關(guān)的結(jié)論。

也就是說，無論你站在地上，還是站在飛奔的火車上，測(cè)得的光速都是一樣的。這就是狹義相對(duì)論的第二個(gè)基本原理，光速不變?cè)怼?/p>

由這兩條基本原理可以直接推導(dǎo)出相對(duì)論的坐標(biāo)變換式，速度變換式等所有的狹義相對(duì)論內(nèi)容。比如速度變幻，與傳統(tǒng)的法則相矛盾，但實(shí)踐證明是正確的，比如一輛火車速度是10m/s，一個(gè)人在車上相對(duì)車的速度也是10m/s，地面上的人看到車上的人的速度不是20m/s，而是（20-10^(-15))m/s左右。

在通常情況下，這種相對(duì)論效應(yīng)完全可以忽略，但在接近光速時(shí)，這種效應(yīng)明顯增大，比如，火車速度是0。99倍光速，人的速度也是0。

99倍光速，那么地面觀測(cè)者的結(jié)論不是1。98倍光速，而是0。

999949倍光速。車上的人看到后面的射來的光也沒有變慢，對(duì)他來說也是光速。

因此，從這個(gè)意義上說，光速是不可超越的，因?yàn)闊o論在那個(gè)參考系，光速都是不變的。速度變換已經(jīng)被粒子物理學(xué)的無數(shù)實(shí)驗(yàn)證明，是無可挑剔的。

正因?yàn)楣獾倪@一獨(dú)特性質(zhì)，因此被選為四維時(shí)空的唯一標(biāo)尺。 廣義相對(duì)論 愛因斯坦的第二種相對(duì)性理論（1916年）。

該理論認(rèn)為引力是由空間——時(shí)間幾何（也就是，不僅考慮空間中的點(diǎn)之間，而是考慮在空間和時(shí)間中的點(diǎn)之間距離的幾何）的畸變引起的，因而引力場(chǎng)影響時(shí)間和距離的測(cè)量. 廣義相對(duì)論：愛因斯坦的基于科學(xué)定律對(duì)所有的觀察者（而不管他們?nèi)绾芜\(yùn)動(dòng)的）必須是相同的觀念的理論。它將引力按照四維空間—時(shí)間的曲率來解釋。

廣義相對(duì)論（General Relativity？）是愛因斯坦于1915年以幾何語(yǔ)言建立而成的引力理論，統(tǒng)合了狹義相對(duì)論和牛頓的萬(wàn)有引力定律，將引力改描述成因時(shí)空中的物質(zhì)與能量而彎曲的時(shí)空，以取代傳統(tǒng)對(duì)于引力是一種力的看法。因此，狹義相對(duì)論和萬(wàn)有引力定律，都只是廣義相對(duì)論在特殊情況之下的特例。

狹義相對(duì)論是在沒有重力時(shí)的情況；而萬(wàn)有引力定律則是在距離近、引力小和速度慢時(shí)的情況。 背景 愛因斯坦在1907年發(fā)表了一篇探討光線在狹義相對(duì)論中，重力和加速度對(duì)其影響的論文，廣義相對(duì)論的雛型就此開始形成。

1912年，愛因斯坦發(fā)表了另外一篇論文，探討如何將重力場(chǎng)用幾何的語(yǔ)言來描述。至此，廣義相對(duì)論的運(yùn)動(dòng)學(xué)出現(xiàn)了。

到了1915年，愛因斯坦場(chǎng)方程式被發(fā)表了出來，整個(gè)廣義相對(duì)論的動(dòng)力學(xué)才終于完成。 1915年后，廣義相對(duì)論的。