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相对论为什么有“狭义”和“广义”之分?
2019-11-27 08:03

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? 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: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?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。 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。 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。

狭义相对论的成功在于破除了经典力学的绝对时空观,表明了对时间和空间的测量要依赖于物体的运动,这里更多的是特指物体相对于真空中光速的运动速度。狭义相对论使得时空不再只是物体运动的机械舞台,而且是有活性可变化的,会随着速度的节拍快慢而配合演奏。

狭义相对论包含了经典力学,而在使用狭义相对论时,也同经典力学一样,首先总得找到或者建立一个惯性参考系K,基于此系才能进行讨论。当然任何一个与K参考系作相互直线匀速运动的参考系都能对问题进行讨论,它们之间满足洛伦兹变换,这就是狭义相对论原理。如此考察问题甚是方便,特别是在经典力学中的绝对时空背景,但这也是狭义相对论的缺陷所在,即我们为什么总要使用惯性系,惯性系的优越性是不是必要的,以及如何在非惯性系中考察物体的运动?

而毫无疑问的是,在我们的客观世界中,是无法找到惯性系的,因为宇宙在膨胀,星系在旋转,万物各自忙。而由此也导致了一些反相对论的佯谬,如朗之万的孪生子悖论。但其实不过是将仅适用于惯性参考系的狭义相对论用在了非惯性系中而导致的逻辑错误罢了。而爱因斯坦想必清楚地认识到这一点,并且认真地考量狭义相对性原理对于相互作加速运动的参照系的适用性,以及惯性系与加速惯性系之间的联系。

永信贵宾会,而另一方面,狭义相对论无法接纳牛顿的引力。牛顿的确是站立在巨人的肩膀上才看得远——在天文观测上第谷收集了许多天文数据,而开普勒的数学天才整理了三大定律,最后牛顿引入距离平方反比,才建立表观性的万有引力定律。但万有引力的本质是什么?牛顿是未必能洞悉的。牛顿的引力是瞬时超距的,能在整个空间中起作用。这违反了狭义相对论的真空中光速不可超越的推论,当然如果牛顿像电磁理论一样引入场的观念并对引力场作一些说明,会使得理论更加的唯物,其实在性也更加可靠。爱因斯坦估计也是基于此而考察经典引力理论的。根据经验所知,在这个引力场中,无论物体是什么材质以及处于什么样的物理化学状态,其在该场某点上所受到的引力都是一样的,能获得同样的加速度,并且是位置的确定的函数。这表明了引力场定律一定是个确定的位置相关的函数。基于以上两个困难,如何将狭义相对性原理推广到广义相对性原理,即所有的物理定律在任何参考系中都取相同的形式以及处理万有引力在相对论中的形式,成了爱因斯坦完成狭义相对论以后十年间的巨大任务。

接下来简单地谈一下在没有任何数学情况下广义相对论所建立的物理图象。

在此之前,牛顿力学中有两个质量,一个是惯性质量,是表征物体阻碍运动状态改变的一种内在属性,另一个是引力质量,其值越大所产生的引力作用就越大。而实验上对此二者测定的结果是,惯性质量与引力质量相等。这两种在不同场合下作用的属性却相等,让人吃惊,而牛顿无法解释其本质,认为只是一种巧合。但巧合往往隐含着巨大的秘密,而爱因斯坦洞悉到这一点,并对其进行了深入推敲。