相對論分為廣義相對論和狹義相對論
廣義相對論的基本概念解釋：
廣義相對論是愛因斯坦繼狹義相對論之后,深入研究引力理論,于1913年提出的引力場的相對論理論.這一理論完全不同于牛頓的引力論,它把引力場歸結(jié)為物體周圍的時空彎曲,把物體受引力作用而運動,歸結(jié)為物體在彎曲時空中沿短程線的自由運動.因此,廣義相對論亦稱時空幾何動力學(xué),即把引力歸結(jié)為時空的幾何特性.
如何理解廣義相對論的時空彎曲呢?這里我們借用一個模型式的比擬來加以說明.假如有兩個質(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論則并不認為這兩個鋼球間存在吸引力.它們之所以相互靠近,是由于沒有鋼球出現(xiàn)時,周圍的時空猶如一張拉平的網(wǎng),現(xiàn)在兩個鋼球把這張時空網(wǎng)壓彎了,于是兩個鋼球就沿著彎曲的網(wǎng)滾到一起來了.這就相當(dāng)于因時空彎曲物體沿短程線的運動.所以,愛因斯坦的廣義相對論是不存在“引力”的引力理論.
進一步說,這個理論是建立在等效原理及廣義協(xié)變原理這兩個基本假設(shè)之上的.等效原理是從物體的慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等這個基本事實出發(fā),認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)變原理,可以認為是等效原理的一種數(shù)學(xué)表示,即認為反映物理規(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,也可以說認為一切參考系是平等的,從而打破了狹義相對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論.
我們知道,牛頓的萬有引力定律認為,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.
在廣義相對論中物質(zhì)產(chǎn)生引力場的規(guī)律由愛因斯坦場方程表示,它所反映的引力作用是動態(tài)的,以光速來傳遞的.
廣義相對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論的弱場近似.所謂弱場是指物體在引力場中的引力能遠小于固有能,力場中,才顯示出兩者的差別,這時必須應(yīng)用廣義相對論才能正確處理引力問題.
廣義相對論在1915年建立后,愛因斯坦就提出了可以從三個方面來檢驗其正確性,即所謂三大實驗驗證.這就是光線在太陽附近的偏折,水星近日點的進動以及光譜線在引力場中的頻移,這些不久即為當(dāng)時的實驗觀測所證實.以后又有人設(shè)計了雷達回波時間延遲實驗,很快在更高精度上證實了廣義相對論.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都有力地支持了廣義相對論,從而使人們對廣義相對論的興趣由冷轉(zhuǎn)熱.特別是應(yīng)用廣義相對論來研究天體物理和宇宙學(xué),已成為物理學(xué)中的一個熱門前沿.
愛因斯坦一直把廣義相對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)狹義相對論,也會有別人發(fā)現(xiàn)的,問題已經(jīng)成熟.但是我認為,廣義相對論不一樣.”確實,廣義相對論比狹義相對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實的數(shù)學(xué)基礎(chǔ),是不可能建立起廣義相對論的.偉大的科學(xué)家湯姆遜曾經(jīng)把廣義相對論稱作為人類歷史上最偉大的成就之一.
狹義相對論就是
狹義相對論是建立在四維時空觀上的一個理論,因此要弄清相對論的內(nèi)容,要先對相對論的時空觀有個大體了解.在數(shù)學(xué)上有各種多維空間,但目前為止,我們認識的物理世界只是四維,即三維空間加一維時間.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.
四維時空是構(gòu)成真實世界的最低維度,我們的世界恰好是四維,至于高維真實空間,至少現(xiàn)在我們還無法感知.一把尺子在三維空間里（不含時間）轉(zhuǎn)動,其長度不變,但旋轉(zhuǎn)它時,它的各坐標值均發(fā)生了變化,且坐標之間是有聯(lián)系的.四維時空的意義就是時間是第四維坐標,它與空間坐標是有聯(lián)系的,也就是說時空是統(tǒng)一的,不可分割的整體,它們是一種”此消彼長”的關(guān)系.
四維時空不僅限于此,由質(zhì)能關(guān)系知,質(zhì)量和能量實際是一回事,質(zhì)量（或能量）并不是獨立的,而是與運動狀態(tài)相關(guān)的,比如速度越大,質(zhì)量越大.在四維時空里,質(zhì)量（或能量）實際是四維動量的第四維分量,動量是描述物質(zhì)運動的量,因此質(zhì)量與運動狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的了.在四維時空里,動量和能量實現(xiàn)了統(tǒng)一,稱為能量動量四矢.另外在四維時空里還定義了四維速度,四維加速度,四維力,電磁場方程組的四維形式等.值得一提的是,電磁場方程組的四維形式更加完美,完全統(tǒng)一了電和磁,電場和磁場用一個統(tǒng)一的電磁場張量來描述.四維時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,我們不能對它妄加懷疑.
相對論中,時間與空間構(gòu)成了一個不可分割的整體——四維時空,能量與動量也構(gòu)成了一個不可分割的整體——四維動量.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論時我們還會看到,時空與能量動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動,沒有不運動的物質(zhì),也沒有無物質(zhì)的運動,由于物質(zhì)是在相互聯(lián)系,相互作用中運動的,因此,必須在物質(zhì)的相互關(guān)系中描述運動,而不可能孤立的描述運動.也就是說,運動必須有一個參考物,這個參考物就是參考系.
伽利略曾經(jīng)指出,運動的船與靜止的船上的運動不可區(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)達的頭腦,最先進的儀器,也無從感知你的船是勻速運動,還是靜止.更無從感知速度的大小,因為沒有參考.比如,我們不知道我們整個宇宙的整體運動狀態(tài),因為宇宙是封閉的.愛因斯坦將其引用,作為狹義相對論的第一個基本原理：狹義相對性原理.其內(nèi)容是：慣性系之間完全等價,不可區(qū)分.
著名的麥克爾遜--莫雷實驗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,測得的光速都是一樣的.這就是狹義相對論的第二個基本原理,光速不變原理.
由這兩條基本原理可以直接推導(dǎo)出相對論的坐標變換式,速度變換式等所有的狹義相對論內(nèi)容.比如速度變幻,與傳統(tǒng)的法則相矛盾,但實踐證明是正確的,比如一輛火車速度是10m/s,一個人在車上相對車的速度也是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,這種相對論效應(yīng)完全可以忽略,但在接近光速時,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,對他來說也是光速.因此,從這個意義上說,光速是不可超越的,因為無論在那個參考系,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)實驗證明,是無可挑剔的.正因為光的這一獨特性質(zhì),因此被選為四維時空的唯一標尺.