大学物理小论文相对论的时空观念_大学物理狭义相对论

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北航物理小论文

之

相对论的时空观念

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摘要...........3

一、光速有限、电磁场理论与以太理论........3

1.光速有限的发现..........3

2.电磁场理论与牛顿理论的冲突...........3

3.以太理论的提出与失败..........4

二、经典物理学的时空观.............4

1.时间空间独立存在..............4

2.时间与空间是绝对的............4

3.不存在静止的绝对标准..........5

三、相对论的时空观...........5

1.时空是不可分割的........5

2.四维时空观.............5

3.空间与时间可弯曲........6

四、小结.............6

摘要 介绍相对论提出的时代背景与历史意义，重点阐述其对绝对时空观的冲击与影响。爱因斯坦以光速不变原理出发，建立了新的时空观，对当时的科学界中的以太理论产生了巨大的冲击。相对论不仅拨开了迈克尔逊-莫雷实验的阴云，还将物理大厦的构建提升到了一个新的阶段。本文将重点介绍其对时空观的影响。

关键词：相对论、时空观

一、光速有限、电磁场理论与以太理论

1.光速有限的发现

1676年丹麦天文学家欧尔·克里斯琴森·罗默首次发现，光以有限但非常高的速度行进。罗默通过观测木星卫星的月食，发现木星卫星的月食并没有以相等的时间间隔发生。罗默就这一现象给出了一种解释。如果以光以有限速度行进，我们将在每次月食发生之后的某一时间看到它。如果木星不改变离开地球的距离，那么每次月食延迟的时间相同。但是事实是，木星与地球的距离在运动中不断的改变，因此光延迟的时间也就不相同。罗默利用这个延迟的时间差首次计算出光速。虽然他不能很精确的测量地球和木星之间的距离变化，测出的光速为每秒140000英里（现在我们认为是每秒186000英里），但是他不仅证明了光以有限的速度行进，而且测量了这个速度，成就无疑是卓越的。要知道，这些工作都是在牛顿的《自然哲学的数学原理》之前11年进行的。

2.电磁场理论与牛顿理论的冲突

1865年詹姆斯·克拉克·麦克斯韦提出了电磁场理论，他成功统一了那时描述电力和磁力部分理论，并且极大的推动了光的波动学说的发展。这时科学界才得到了电磁波传播的正确理论。麦克斯韦在数学上证明了：这些电力和磁力不是有粒子之间相互直接作用而引起，而是每个电荷和电流在周围空间产生一个长，场将力作用在位于那个空间内的其他每一个电荷核电路上。他发现每一个单独的场都携带电力和磁力，他把这个统一的力称为电磁力，携带它的称作电磁场。

麦克斯韦方程预言，在电磁场中如果产生波状的微扰，这些微扰将以固定的速度前进，正如池塘水面的涟漪一样。他计算出这个速度后，发现竟然与光速一致。这就意味着电磁波与光波以某种固定的速度前进。这就与牛顿理论中不存在静止的绝对标准的观点产生了严重的分歧。在牛顿理论中，物体相对于地面的速度为参考系相对于地面速度与物体相对于参考系速度之和，如果光速不变，那么这就意味着对于光速难以产生一致的意见。

3.以太理论的提出与失败

为了让麦克斯韦理论与牛顿的经典物理学“和谐共处”，人们猜测存在一种称为“以太”的物质，它无处不在，甚至于存在在真空的宇宙空间中。而以太则是光传播的一种介质（现在认为光不需要传播介质）。根据以太理论，从麦克斯韦方程推出的光速是相对以太的速度，而不是相对于实际观测者的速度。按照这一观点，不同的观测者会发现光以不同的速度设想他们，但是光相对于以太的速度保持不变。于是，当时人们便开始寻找在实验中测的光速的方法。

1887年，阿尔伯特·迈克尔逊和爱德华·莫雷做了一个非常精细而且困难的实验。迈克尔逊和莫雷将干涉仪装在十分平稳的大理石上，并让大理石漂浮在水银槽上，可以平稳地转动。并当整个仪器缓慢转动时连续读数,这时该仪器的精确度为0.01% ,即能测到1/100条条纹移动，用该仪器测条纹移动应该是很容易的。迈克尔逊和莫雷设想：如果让仪器转动90度，光通过OM1、OM2的时间差应改变，干涉条纹要发生移动，从实验中测出条纹移动的距离，就可以求出地球相对以太的运动速度，从而证实以太的存在。但实验结果是:未发现任何条纹移动。

在1887到1905年，科学家们想要挽回以太理论的失败。然而却都以失败告终。这时候，阿尔伯特·爱因斯坦在他的论文中提出，只要人们愿意抛弃绝对时空的观念，以太理论完全是多余的。

二、经典物理学的时空观

1.时间空间独立存在经典时空观认为时间和相间与物体的运动是无关的，是独立存在的，时间记录着物体的运动过程和运动状态，而空间是提供了物体运动的舞台。在牛顿时空观中，时间和空间是互不关联的，空间仅仅是“盛放物质的容器”。在不同时间的两个事件可以确定是否在空间的相同位置上，而且牛顿相信人们可以毫无歧义的测量两个事件之间的时间间隔，只要使用好的时钟，不管观测者的运动状态如何，这个时间都是一样的。这是被当时的大多数科学家都作为常识来看待的，同样，根据牛顿物理学的时空观，只要确定了物体三维坐标，便可以确定物体的位置。在牛顿的经典物理学中，时间与空间是相互独立的。

2.时间与空间是绝对的在牛顿的理论中，空间是绝对的，平坦的，时间则是绝对的，匀速的。不管观测者如何运动，时间始终以同样的速度流逝。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。

3.不存在静止的绝对标准

根据伽利略相对性原理，物体运动的状态是相对的，没有一个物体可以相对所有参考系都是静止的，同样，绝对静止的参考系是不存在的，但是存在绝对运动。从某种意义上来说，不存在静止的绝对标准在暗示着观测者无法确定不同时间发生的事件是不是在同一个空间位置上，已经略有些否定绝对空间的意味，但是牛顿对他的理论的这一观点一直带有排斥态度，因此在很长时间内人们对这一观点都没有太过重视。

举一个例子，一辆行动的列车上，一个乒乓球落在了车厢里，在车到站后，在车厢内的观测者可能就会认为球落在地面上发生在车厢某一点上，而车厢外的观测者就可能认为球落在车行驶过程中时的一点上，这样俩者就球的落点就很难达成一致。因此暗示了否定决定空间。

三、相对论的时空观

1.时空是不可分割的相对论中认为，时空是紧密相连的一个整体，时间的流逝状况、空间的弯曲程度都与物体的运动状态密切相关，就此引出了四维时空。

马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。

2.四维时空观

目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，在此不做讨论。

四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系。四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场

用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。

3.空间与时间可弯曲

1919年5月29日在地球上的一些地区发生日全食，A.S.爱丁顿和F.戴森率领的两个探测小组分赴西非的普林西北岛和巴西的索勃拉市拍摄日全食太阳附近的星空照片，与太阳不在这一天区的星空照片相比较，得出的光线偏折值分别为1.61″±0.40和1.98″±0.16，与爱因斯坦的理论预言符合得很好，曾引起世界的轰动。以后几乎每逢有便于进行日全食观测时，各国的天文学家都要作此项观测。20世纪70年代以后，射电天文学的进展，在射电波段进行观测，观测精度更为提高，观测结果与理论预言符合得更好。

这一观测现象证明，引力场可引起空间的弯曲，从而导致光线偏折。而根据光锥这一模型，我们了解到光锥内部事件传播速度是低于光速的，而光锥外部事件传播速度是高于光速的，根据光速不变理论，光锥外面的传播速度似乎是不可发生的，但在强引力的作用下，时空会发生扭曲，或许从空间的某一参考系就能看到出现光锥外侧的速度。这或许就为空间扭曲，时空倒流提供了一种思考。

四、小结

通过这次物理小论文的撰写，我了解到了许多从课本上了解不到的关于相对论的知识，对相对论的时空观有了一个初步的认识。相对论作为近代物理的一个重要理论，其时空观必将在解决现代理论物理学诸多问题上产生积极的影响，对黑洞等问题的探讨也必将在其时空观的指引下继续进行。

参考文献：

1.《时间简史(插图本)》，史蒂芬·霍金，湖南科学技术出版社，2011年9月

2.《相对论》，阿尔伯特·爱因斯坦，江苏人民出版社，2011年3月

3.《大学物理通用教程·近代物理》，陈熙牟，北京大学出版社，2009年7月