相對(duì)論分為廣義相對(duì)論和狹義相對(duì)論
廣義相對(duì)論的基本概念解釋：
廣義相對(duì)論是愛因斯坦繼狹義相對(duì)論之后,深入研究引力理論,于1913年提出的引力場(chǎng)的相對(duì)論理論.這一理論完全不同于牛頓的引力論,它把引力場(chǎng)歸結(jié)為物體周圍的時(shí)空彎曲,把物體受引力作用而運(yùn)動(dòng),歸結(jié)為物體在彎曲時(shí)空中沿短程線的自由運(yùn)動(dòng).因此,廣義相對(duì)論亦稱時(shí)空幾何動(dòng)力學(xué),即把引力歸結(jié)為時(shí)空的幾何特性.
如何理解廣義相對(duì)論的時(shí)空彎曲呢?這里我們借用一個(gè)模型式的比擬來加以說明.假如有兩個(gè)質(zhì)量很大的鋼球,按牛頓的看法,它們因萬有引力相互吸引,將彼此接近.而愛因斯坦的廣義相對(duì)論則并不認(rèn)為這兩個(gè)鋼球間存在吸引力.它們之所以相互靠近,是由于沒有鋼球出現(xiàn)時(shí),周圍的時(shí)空猶如一張拉平的網(wǎng),現(xiàn)在兩個(gè)鋼球把這張時(shí)空網(wǎng)壓彎了,于是兩個(gè)鋼球就沿著彎曲的網(wǎng)滾到一起來了.這就相當(dāng)于因時(shí)空彎曲物體沿短程線的運(yùn)動(dòng).所以,愛因斯坦的廣義相對(duì)論是不存在“引力”的引力理論.
進(jìn)一步說,這個(gè)理論是建立在等效原理及廣義協(xié)變?cè)磉@兩個(gè)基本假設(shè)之上的.等效原理是從物體的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等這個(gè)基本事實(shí)出發(fā),認(rèn)為引力與加速系中的慣性力等效,兩者原則上是無法區(qū)分的；廣義協(xié)變?cè)?可以認(rèn)為是等效原理的一種數(shù)學(xué)表示,即認(rèn)為反映物理規(guī)律的一切微分方程應(yīng)當(dāng)在所有參考系中保持形式不變,也可以說認(rèn)為一切參考系是平等的,從而打破了狹義相對(duì)論中慣性系的特殊地位,由于參考系選擇的任意性而得名為廣義相對(duì)論.
我們知道,牛頓的萬有引力定律認(rèn)為,一切有質(zhì)量的物體均相互吸引,這是一種靜態(tài)的超距作用.
在廣義相對(duì)論中物質(zhì)產(chǎn)生引力場(chǎng)的規(guī)律由愛因斯坦場(chǎng)方程表示,它所反映的引力作用是動(dòng)態(tài)的,以光速來傳遞的.
廣義相對(duì)論是比牛頓引力論更一般的理論,牛頓引力論只是廣義相對(duì)論的弱場(chǎng)近似.所謂弱場(chǎng)是指物體在引力場(chǎng)中的引力能遠(yuǎn)小于固有能,力場(chǎng)中,才顯示出兩者的差別,這時(shí)必須應(yīng)用廣義相對(duì)論才能正確處理引力問題.
廣義相對(duì)論在1915年建立后,愛因斯坦就提出了可以從三個(gè)方面來檢驗(yàn)其正確性,即所謂三大實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.這就是光線在太陽(yáng)附近的偏折,水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)以及光譜線在引力場(chǎng)中的頻移,這些不久即為當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)所證實(shí).以后又有人設(shè)計(jì)了雷達(dá)回波時(shí)間延遲實(shí)驗(yàn),很快在更高精度上證實(shí)了廣義相對(duì)論.60年代天文學(xué)上的一系列新發(fā)現(xiàn)：3K微波背景輻射、脈沖星、類星體、X射電源等新的天體物理觀測(cè)都有力地支持了廣義相對(duì)論,從而使人們對(duì)廣義相對(duì)論的興趣由冷轉(zhuǎn)熱.特別是應(yīng)用廣義相對(duì)論來研究天體物理和宇宙學(xué),已成為物理學(xué)中的一個(gè)熱門前沿.
愛因斯坦一直把廣義相對(duì)論看作是自己一生中最重要的科學(xué)成果,他說過,“要是我沒有發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論,也會(huì)有別人發(fā)現(xiàn)的,問題已經(jīng)成熟.但是我認(rèn)為,廣義相對(duì)論不一樣.”確實(shí),廣義相對(duì)論比狹義相對(duì)論包含了更加深刻的思想,這一全新的引力理論至今仍是一個(gè)最美好的引力理論.沒有大膽的革新精神和不屈不撓的毅力,沒有敏銳的理論直覺能力和堅(jiān)實(shí)的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),是不可能建立起廣義相對(duì)論的.偉大的科學(xué)家湯姆遜曾經(jīng)把廣義相對(duì)論稱作為人類歷史上最偉大的成就之一.
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.可以說至少它比牛頓力學(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)?
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.