誰(shuí)說的,那如果如此,光也應(yīng)該沿著此方向傳播,那看起來也是直得呀
狹義相對(duì)論的創(chuàng)立
早在16歲時(shí),愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進(jìn)的電磁波,他產(chǎn)生了一個(gè)想法,如果一個(gè)人以光的速度運(yùn)動(dòng),他將看到一幅什么樣的世界景象呢?他將看不到前進(jìn)的光,只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場(chǎng).這種事可能發(fā)生嗎?
與此相聯(lián)系,他非常想探討與光波有關(guān)的所謂以太的問題.以太這個(gè)名詞源于希臘,用以代表組成天上物體的基本元素.17世紀(jì),笛卡爾首次將它引入科學(xué),作為傳播光的媒質(zhì).其后,惠更斯進(jìn)一步發(fā)展了以太學(xué)說,認(rèn)為荷載光波的媒介物是以太,它應(yīng)該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間,并能滲透到通常的物質(zhì)中.與惠更斯的看法不同,牛頓提出了光的微粒說.牛頓認(rèn)為,發(fā)光體發(fā)射出的是以直線運(yùn)動(dòng)的微粒粒子流,粒子流沖擊視網(wǎng)膜就引起視覺.18世紀(jì)牛頓的微粒說占了上風(fēng),然而到了19世紀(jì),卻是波動(dòng)說占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì),以太的學(xué)說也因此大大發(fā)展.當(dāng)時(shí)的看法是,波的傳播要依賴于媒質(zhì),因?yàn)楣饪梢栽谡婵罩袀鞑?傳播光波的媒質(zhì)是充滿整個(gè)空間的以太,也叫光以太.與此同時(shí),電磁學(xué)得到了蓬勃發(fā)展,經(jīng)過麥克斯韋、赫茲等人的努力,形成了成熟的電磁現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)理論——電動(dòng)力學(xué),并從理論與實(shí)踐上將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來,認(rèn)為光就是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波,從而將光的波動(dòng)理論與電磁理論統(tǒng)一起來.以太不僅是光波的載體,也成了電磁場(chǎng)的載體.直到19世紀(jì)末,人們企圖尋找以太,然而從未在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以太.
但是,電動(dòng)力學(xué)遇到了一個(gè)重大的問題,就是與牛頓力學(xué)所遵從的相對(duì)性原理不一致.關(guān)于相對(duì)性原理的思想,早在伽利略和牛頓時(shí)期就已經(jīng)有了.電磁學(xué)的發(fā)展最初也是納入牛頓力學(xué)的框架,但在解釋運(yùn)動(dòng)物體的電磁過程時(shí)卻遇到了困難.按照麥克斯韋理論,真空中電磁波的速度,也就是光的速度是一個(gè)恒量,然而按照牛頓力學(xué)的速度加法原理,不同慣性系的光速不同,這就出現(xiàn)了一個(gè)問題：適用于力學(xué)的相對(duì)性原理是否適用于電磁學(xué)?例如,有兩輛汽車,一輛向你駛近,一輛駛離.你看到前一輛車的燈光向你靠近,后一輛車的燈光遠(yuǎn)離.按照麥克斯韋的理論,這兩種光的速度相同,汽車的速度在其中不起作用.但根據(jù)伽利略理論,這兩項(xiàng)的測(cè)量結(jié)果不同.向你駛來的車將發(fā)出的光加速,即前車的光速=光速+車速；而駛離車的光速較慢,因?yàn)楹筌嚨墓馑?光速-車速.麥克斯韋與伽利略關(guān)于速度的說法明顯相悖.我們?nèi)绾谓鉀Q這一分歧呢?
19世紀(jì)理論物理學(xué)達(dá)到了巔峰狀態(tài),但其中也隱含著巨大的危機(jī).海王星的發(fā)現(xiàn)顯示出牛頓力學(xué)無比強(qiáng)大的理論威力,電磁學(xué)與力學(xué)的統(tǒng)一使物理學(xué)顯示出一種形式上的完整,并被譽(yù)為“一座莊嚴(yán)雄偉的建筑體系和動(dòng)人心弦的美麗的廟堂”.在人們的心目中,古典物理學(xué)已經(jīng)達(dá)到了近乎完美的程度.德國(guó)著名的物理學(xué)家普朗克年輕時(shí)曾向他的老師表示要獻(xiàn)身于理論物理學(xué),老師勸他說：“年輕人,物理學(xué)是一門已經(jīng)完成了的科學(xué),不會(huì)再有多大的發(fā)展了,將一生獻(xiàn)給這門學(xué)科,太可惜了.”
愛因斯坦似乎就是那個(gè)將構(gòu)建嶄新的物理學(xué)大廈的人.在伯爾尼專利局的日子里,愛因斯坦廣泛關(guān)注物理學(xué)界的前沿動(dòng)態(tài),在許多問題上深入思考,并形成了自己獨(dú)特的見解.在十年的探索過程中,愛因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論,特別是經(jīng)過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動(dòng)力學(xué).愛因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的,但是有一個(gè)問題使他不安,這就是絕對(duì)參照系以太的存在.他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn),所有人試圖證明以太存在的試驗(yàn)都是失敗的.經(jīng)過研究愛因斯坦發(fā)現(xiàn),除了作為絕對(duì)參照系和電磁場(chǎng)的荷載物外,以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒有實(shí)際意義.于是他想到：以及絕對(duì)參照系是必要的嗎?電磁場(chǎng)一定要有荷載物嗎?
愛因斯坦喜歡閱讀哲學(xué)著作,并從哲學(xué)中吸收思想營(yíng)養(yǎng),他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性.相對(duì)性原理已經(jīng)在力學(xué)中被廣泛證明,但在電動(dòng)力學(xué)中卻無法成立,對(duì)于物理學(xué)這兩個(gè)理論體系在邏輯上的不一致,愛因斯坦提出了懷疑.他認(rèn)為,相對(duì)論原理應(yīng)該普遍成立,因此電磁理論對(duì)于各個(gè)慣性系應(yīng)該具有同樣的形式,但在這里出現(xiàn)了光速的問題.光速是不變的量還是可變的量,成為相對(duì)性原理是否普遍成立的首要問題.當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家一般都相信以太,也就是相信存在著絕對(duì)參照系,這是受到牛頓的絕對(duì)空間概念的影響.19世紀(jì)末,馬赫在所著的《發(fā)展中的力學(xué)》中,批判了牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀,這給愛因斯坦留下了深刻的印象.1905年5月的一天,愛因斯坦與一個(gè)朋友貝索討論這個(gè)已探索了十年的問題,貝索按照馬赫主義的觀點(diǎn)闡述了自己的看法,兩人討論了很久.突然,愛因斯坦領(lǐng)悟到了什么,回到家經(jīng)過反復(fù)思考,終于想明白了問題.第二天,他又來到貝索家,說：謝謝你,我的問題解決了.原來愛因斯坦想清楚了一件事：時(shí)間沒有絕對(duì)的定義,時(shí)間與光信號(hào)的速度有一種不可分割的聯(lián)系.他找到了開鎖的鑰匙,經(jīng)過五個(gè)星期的努力工作,愛因斯坦把狹義相對(duì)論呈現(xiàn)在人們面前.
1905年6月30日,德國(guó)《物理學(xué)年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》,在同年9月的該刊上發(fā)表.這篇論文是關(guān)于狹義相對(duì)論的第一篇文章,它包含了狹義相對(duì)論的基本思想和基本內(nèi)容.狹義相對(duì)論所根據(jù)的是兩條原理：相對(duì)性原理和光速不變?cè)?愛因斯坦解決問題的出發(fā)點(diǎn),是他堅(jiān)信相對(duì)性原理.伽利略最早闡明過相對(duì)性原理的思想,但他沒有對(duì)時(shí)間和空間給出過明確的定義.牛頓建立力學(xué)體系時(shí)也講了相對(duì)性思想,但又定義了絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng),在這個(gè)問題上他是矛盾的.而愛因斯坦大大發(fā)展了相對(duì)性原理,在他看來,根本不存在絕對(duì)靜止的空間,同樣不存在絕對(duì)同一的時(shí)間,所有時(shí)間和空間都是和運(yùn)動(dòng)的物體聯(lián)系在一起的.對(duì)于任何一個(gè)參照系和坐標(biāo)系,都只有屬于這個(gè)參照系和坐標(biāo)系的空間和時(shí)間.對(duì)于一切慣性系,運(yùn)用該參照系的空間和時(shí)間所表達(dá)的物理規(guī)律,它們的形式都是相同的,這就是相對(duì)性原理,嚴(yán)格地說是狹義的相對(duì)性原理.在這篇文章中,愛因斯坦沒有多討論將光速不變作為基本原理的根據(jù),他提出光速不變是一個(gè)大膽的假設(shè),是從電磁理論和相對(duì)性原理的要求而提出來的.這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太與電動(dòng)力學(xué)問題的結(jié)果,他從同時(shí)的相對(duì)性這一點(diǎn)作為突破口,建立了全新的時(shí)間和空間理論,并在新的時(shí)空理論基礎(chǔ)上給動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的.
什么是同時(shí)性的相對(duì)性?不同地方的兩個(gè)事件我們何以知道它是同時(shí)發(fā)生的呢?一般來說,我們會(huì)通過信號(hào)來確認(rèn).為了得知異地事件的同時(shí)性我們就得知道信號(hào)的傳遞速度,但如何沒出這一速度呢?我們必須測(cè)出兩地的空間距離以及信號(hào)傳遞所需的時(shí)間,空間距離的測(cè)量很簡(jiǎn)單,麻煩在于測(cè)量時(shí)間,我們必須假定兩地各有一只已經(jīng)對(duì)好了的鐘,從兩個(gè)鐘的讀數(shù)可以知道信號(hào)傳播的時(shí)間.但我們?nèi)绾沃喇惖氐溺妼?duì)好了呢?答案是還需要一種信號(hào).這個(gè)信號(hào)能否將鐘對(duì)好?如果按照先前的思路,它又需要一種新信號(hào),這樣無窮后退,異地的同時(shí)性實(shí)際上無法確認(rèn).不過有一點(diǎn)是明確的,同時(shí)性必與一種信號(hào)相聯(lián)系,否則我們說這兩件事同時(shí)發(fā)生是沒有意義的.
光信號(hào)可能是用來對(duì)時(shí)鐘最合適的信號(hào),但光速不是無限大,這樣就產(chǎn)生一個(gè)新奇的結(jié)論,對(duì)于靜止的觀察者同時(shí)的兩件事,對(duì)于運(yùn)動(dòng)的觀察者就不是同時(shí)的.我們?cè)O(shè)想一個(gè)高速運(yùn)行的列車,它的速度接近光速.列車通過站臺(tái)時(shí),甲站在站臺(tái)上,有兩道閃電在甲眼前閃過,一道在火車前端,一道在后端,并在火車兩端及平臺(tái)的相應(yīng)部位留下痕跡,通過測(cè)量,甲與列車兩端的間距相等,得出的結(jié)論是,甲是同時(shí)看到兩道閃電的.因此對(duì)甲來說,收到的兩個(gè)光信號(hào)在同一時(shí)間間隔內(nèi)傳播同樣的距離,并同時(shí)到達(dá)他所在位置,這兩起事件必然在同一時(shí)間發(fā)生,它們是同時(shí)的.但對(duì)于在列車內(nèi)部正中央的乙,情況則不同,因?yàn)橐遗c高速運(yùn)行的列車一同運(yùn)動(dòng),因此他會(huì)先截取向著他傳播的前端信號(hào),然后收到從后端傳來的光信號(hào).對(duì)乙來說,這兩起事件是不同時(shí)的.也就是說,同時(shí)性不是絕對(duì)的,而取決于觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài).這一結(jié)論否定了牛頓力學(xué)中引以為基礎(chǔ)的絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間框架.
相對(duì)論認(rèn)為,光速在所有慣性參考系中不變,它是物體運(yùn)動(dòng)的最大速度.由于相對(duì)論效應(yīng),運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度會(huì)變短,運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間膨脹.但由于日常生活中所遇到的問題,運(yùn)動(dòng)速度都是很低的（與光速相比）,看不出相對(duì)論效應(yīng).
愛因斯坦在時(shí)空觀的徹底變革的基礎(chǔ)上建立了相對(duì)論力學(xué),指出質(zhì)量隨著速度的增加而增加,當(dāng)速度接近光速時(shí),質(zhì)量趨于無窮大.他并且給出了著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2,質(zhì)能關(guān)系式對(duì)后來發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導(dǎo)作用.
廣義相對(duì)論的建立
1905年,愛因斯坦發(fā)表了關(guān)于狹義相對(duì)論的第一篇文章后,并沒有立即引起很大的反響.但是德國(guó)物理學(xué)的權(quán)威人士普朗克注意到了他的文章,認(rèn)為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美,正是由于普朗克的推動(dòng),相對(duì)論很快成為人們研究和討論的課題,愛因斯坦也受到了學(xué)術(shù)界的注意.
1907年,愛因斯坦聽從友人的建議,提交了那篇著名的論文申請(qǐng)聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的編外講師職位,但得到的答復(fù)是論文無法理解.雖然在德國(guó)物理學(xué)界愛因斯坦已經(jīng)很有名氣,但在瑞士,他卻得不到一個(gè)大學(xué)的教職,許多有名望的人開始為他鳴不平,1908年,愛因斯坦終于得到了編外講師的職位,并在第二年當(dāng)上了副教授.1912年,愛因斯坦當(dāng)上了教授,1913年,應(yīng)普朗克之邀擔(dān)任新成立的威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)和柏林大學(xué)教授.
在此期間,愛因斯坦在考慮將已經(jīng)建立的相對(duì)論推廣,對(duì)于他來說,有兩個(gè)問題使他不安.第一個(gè)是引力問題,狹義相對(duì)論對(duì)于力學(xué)、熱力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的物理規(guī)律是正確的,但是它不能解釋引力問題.牛頓的引力理論是超距的,兩個(gè)物體之間的引力作用在瞬間傳遞,即以無窮大的速度傳遞,這與相對(duì)論依據(jù)的場(chǎng)的觀點(diǎn)和極限的光速?zèng)_突.第二個(gè)是非慣性系問題,狹義相對(duì)論與以前的物理學(xué)規(guī)律一樣,都只適用于慣性系.但事實(shí)上卻很難找到真正的慣性系.從邏輯上說,一切自然規(guī)律不應(yīng)該局限于慣性系,必須考慮非慣性系.狹義相對(duì)論很難解釋所謂的雙生了佯謬,該佯謬說的是,有一對(duì)孿生兄弟,哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行,根據(jù)相對(duì)論效應(yīng),高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢,等哥哥回來,弟弟已經(jīng)變得很老了,因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)經(jīng)歷了幾十年.而按照相對(duì)性原理,飛船相對(duì)于地球高速運(yùn)動(dòng),地球相對(duì)于飛船也高速運(yùn)動(dòng),弟弟看哥哥變年輕了,哥哥看弟弟也應(yīng)該年輕了.這個(gè)問題簡(jiǎn)直沒法回答.實(shí)際上,狹義相對(duì)論只處理勻速直線運(yùn)動(dòng),而哥哥要回來必須經(jīng)過一個(gè)變速運(yùn)動(dòng)過程,這是相對(duì)論無法處理的.正在人們忙于理解相對(duì)狹義相對(duì)論時(shí),愛因斯坦正在接受完成廣義相對(duì)論.
1907年,愛因斯坦撰寫了關(guān)于狹義相對(duì)論的長(zhǎng)篇文章《關(guān)于相對(duì)性原理和由此得出的結(jié)論》,在這篇文章中愛因斯坦第一次提到了等效原理,此后,愛因斯坦關(guān)于等效原理的思想又不斷發(fā)展.他以慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比的自然規(guī)律作為等效原理的根據(jù),提出在無限小的體積中均勻的引力場(chǎng)完全可以代替加速運(yùn)動(dòng)的參照系.愛因斯坦并且提出了封閉箱的說法：在一封閉箱中的觀察者,不管用什么方法也無法確定他究竟是靜止于一個(gè)引力場(chǎng)中,還是處在沒有引力場(chǎng)卻在作加速運(yùn)動(dòng)的空間中,這是解釋等效原理最常用的說法,而慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等是等效原理一個(gè)自然的推論.
1915年11月,愛因斯坦先后向普魯士科學(xué)院提交了四篇論文,在這四篇論文中,他提出了新的看法,證明了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng),并給出了正確的引力場(chǎng)方程.至此,廣義相對(duì)論的基本問題都解決了,廣義相對(duì)論誕生了.1916年,愛因斯坦完成了長(zhǎng)篇論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》,在這篇文章中,愛因斯坦首先將以前適用于慣性系的相對(duì)論稱為狹義相對(duì)論,將只對(duì)于慣性系物理規(guī)律同樣成立的原理稱為狹義相對(duì)性原理,并進(jìn)一步表述了廣義相對(duì)性原理：物理學(xué)的定律必須對(duì)于無論哪種方式運(yùn)動(dòng)著的參照系都成立.
愛因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為,由于有物質(zhì)的存在,空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲,而引力場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)彎曲的時(shí)空.愛因斯坦用太陽(yáng)引力使空間彎曲的理論,很好地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)中一直無法解釋的43秒.廣義相對(duì)論的第二大預(yù)言是引力紅移,即在強(qiáng)引力場(chǎng)中光譜向紅端移動(dòng),20年代,天文學(xué)家在天文觀測(cè)中證實(shí)了這一點(diǎn).廣義相對(duì)論的第三大預(yù)言是引力場(chǎng)使光線偏轉(zhuǎn),.最靠近地球的大引力場(chǎng)是太陽(yáng)引力場(chǎng),愛因斯坦預(yù)言,遙遠(yuǎn)的星光如果掠過太陽(yáng)表面將會(huì)發(fā)生一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn).1919年,在英國(guó)天文學(xué)家愛丁頓的鼓動(dòng)下,英國(guó)派出了兩支遠(yuǎn)征隊(duì)分赴兩地觀察日全食,經(jīng)過認(rèn)真的研究得出最后的結(jié)論是：星光在太陽(yáng)附近的確發(fā)生了一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn).英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)正式宣讀了觀測(cè)報(bào)告,確認(rèn)廣義相對(duì)論的結(jié)論是正確的.會(huì)上,著名物理學(xué)家、皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)湯姆孫說：“這是自從牛頓時(shí)代以來所取得的關(guān)于萬(wàn)有引力理論的最重大的成果”,“愛因斯坦的相對(duì)論是人類思想最偉大的成果之一”.愛因斯坦成了新聞人物,他在1916年寫了一本通俗介紹相對(duì)認(rèn)的書《狹義相對(duì)論與廣義相對(duì)論淺說》,到1922年已經(jīng)再版了40次,還被譯成了十幾種文字,廣為流傳.
相對(duì)論的意義
狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論建立以來,已經(jīng)過去了很長(zhǎng)時(shí)間,它經(jīng)受住了實(shí)踐和歷史的考驗(yàn),是人們普遍承認(rèn)的真理.相對(duì)論對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代人類思相的發(fā)展都有巨大的影響. 相對(duì)論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué),使經(jīng)典物理學(xué)成為一個(gè)完美的科學(xué)體系.狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)兩個(gè)體系,指出它們都服從狹義相對(duì)性原理,都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的,牛頓力學(xué)只不過是物體在低速運(yùn)動(dòng)下很好的近似規(guī)律.廣義相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上,通過等效原理,建立了局域慣性長(zhǎng)與普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系,得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式,并建立了廣義協(xié)變的引力理論,而牛頓引力理論只是它的一級(jí)近似.這就從根本上解決了以前物理學(xué)只限于慣性系數(shù)的問題,從邏輯上得到了合理的安排.相對(duì)論嚴(yán)格地考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這些物理學(xué)的基本概念,給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀,從而使物理學(xué)在邏輯上成為完美的科學(xué)體系.
狹義相對(duì)論給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,并提示了質(zhì)量與能量相當(dāng),給出了質(zhì)能關(guān)系式.這兩項(xiàng)成果對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體并不明顯,但在研究微觀粒子時(shí)卻顯示了極端的重要性.因?yàn)槲⒂^粒子的運(yùn)動(dòng)速度一般都比較快,有的接近甚至達(dá)到光速,所以粒子的物理學(xué)離不開相對(duì)論.質(zhì)能關(guān)系式不僅為量子理論的建立和發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件,而且為原子核物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了根據(jù).
廣義相對(duì)論建立了完善的引力理論,而引力理論主要涉及的是天體.到現(xiàn)在,相對(duì)論宇宙學(xué)進(jìn)一步發(fā)展,而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對(duì)論天體物理學(xué)的分支學(xué)科都有一定的進(jìn)展,吸引了許多科學(xué)家進(jìn)行研究.
一位法國(guó)物理學(xué)家曾經(jīng)這樣評(píng)價(jià)愛因斯坦：“在我們這一時(shí)代的物理學(xué)家中,愛因斯坦將位于最前列.他現(xiàn)在是、將來也還是人類宇宙中最有光輝的巨星之一”,“按照我的看法,他也許比牛頓更偉大,因?yàn)樗麑?duì)于科學(xué)的貢獻(xiàn),更加深入地進(jìn)入了人類思想基本要領(lǐng)的結(jié)構(gòu)中.”
回答者：鷥歌 - 秀才 二級(jí) 7-11 13:13
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)?相對(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.
狹義相對(duì)論,是只限于討論慣性系情況的相對(duì)論.牛頓時(shí)空觀認(rèn)為空間是平直的、各向同性的和各點(diǎn)同性的的三維空間——絕對(duì)空間,時(shí)間是獨(dú)立于空間的單獨(dú)一維（因而也是絕對(duì)的）,即絕對(duì)時(shí)空觀.狹義相對(duì)論認(rèn)為空間和時(shí)間并不相互獨(dú)立,而是一個(gè)統(tǒng)一的四維時(shí)空整體,并不存在絕對(duì)的空間和時(shí)間.在狹義相對(duì)論中,整個(gè)時(shí)空仍然是平直的、各向同性的和各點(diǎn)同性的,這是一種對(duì)應(yīng)于“全局慣性系”的理想狀況.狹義相對(duì)論將真空中光速為常數(shù)作為基本假設(shè),結(jié)合狹義相對(duì)性原理和上述時(shí)空的性質(zhì)可以推出洛侖茲變換.
廣義相對(duì)論是愛因斯坦在1915年發(fā)表的理論.愛因斯坦提出“等效原理”,即引力和慣性力是等效的.這一原理建立在引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的等價(jià)性上(目前實(shí)驗(yàn)證實(shí),在10 − 12的精確度范圍內(nèi),仍沒有看到引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量的差別).根據(jù)等效原理,愛因斯坦把狹義相對(duì)性原理推廣為廣義相對(duì)性原理,即物理定律的形式在一切參考系都是不變的.物體的運(yùn)動(dòng)方程即該參考系中的測(cè)地線方程.測(cè)地線方程與物體自身故有性質(zhì)無關(guān),只取決于時(shí)空局域幾何性質(zhì).而引力正是時(shí)空局域幾何性質(zhì)的表現(xiàn).物質(zhì)質(zhì)量的存在會(huì)造成時(shí)空的彎曲,在彎曲的時(shí)空中,物體仍然順著最短距離進(jìn)行運(yùn)動(dòng)(即沿著測(cè)地線運(yùn)動(dòng)——在歐氏空間中即是直線運(yùn)動(dòng)),如地球在太陽(yáng)造成的彎曲時(shí)空中的測(cè)地線運(yùn)動(dòng),實(shí)際是繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn),造成引力作用效應(yīng).正如在彎曲的地球表面上,如果以直線運(yùn)動(dòng),實(shí)際是繞著地球表面的大圓走.
倒相對(duì)論：相對(duì)論的提出,同樣受到很多的指責(zé),有很多人認(rèn)為它是錯(cuò)誤的,并大大阻礙了社會(huì)的發(fā)展.然而這種觀點(diǎn)并不被主流科學(xué)界所接受.
愛因斯坦和他的相對(duì)論
除了量子理論以外,1905年剛剛得到博士學(xué)位的愛因斯坦發(fā)表的一篇題為《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的文章引發(fā)了二十世紀(jì)物理學(xué)的另一場(chǎng)革命.文章研究的是物體的運(yùn)動(dòng)對(duì)光學(xué)現(xiàn)象的影響,這是當(dāng)時(shí)經(jīng)典物理學(xué)面對(duì)的另一個(gè)難題.
十九世紀(jì)中葉,麥克斯韋建立了電磁場(chǎng)理論,并預(yù)言了以光速C傳播的電磁波的存在.到十九世紀(jì)末,實(shí)驗(yàn)完全證實(shí)了麥克斯韋理論.電磁波是什么?它的傳播速度C是對(duì)誰(shuí)而言的呢?當(dāng)時(shí)流行的看法是整個(gè)宇宙空間充滿一種特殊物質(zhì)叫做“以太”,電磁波是以太振動(dòng)的傳播.但人們發(fā)現(xiàn),這是一個(gè)充滿矛盾的理論.如果認(rèn)為地球是在一個(gè)靜止的以太中運(yùn)動(dòng),那么根據(jù)速度迭加原理,在地球上沿不同方向傳播的光的速度必定不一樣,但是實(shí)驗(yàn)否定了這個(gè)結(jié)論.如果認(rèn)為以太被地球帶著走,又明顯與天文學(xué)上的一些觀測(cè)結(jié)果不符.
1887年邁克爾遜和莫雷利用光的干涉現(xiàn)象進(jìn)行了非常精確的測(cè)量,仍沒有發(fā)現(xiàn)地球有相對(duì)于以太的任何運(yùn)動(dòng).對(duì)此,洛侖茲(H．A．Lorentz)提出了一個(gè)假設(shè),認(rèn)為一切在以太中運(yùn)動(dòng)的物體都要沿運(yùn)動(dòng)方向收縮.由此他證明了,即使地球相對(duì)以太有運(yùn)動(dòng),邁克爾遜也不可能發(fā)現(xiàn)它.愛因斯坦從完全不同的思路研究了這一問題.他指出,只要摒棄牛頓所確立的絕對(duì)空間和絕對(duì)時(shí)間的概念,一切困難都可以解決,根本不需要什么以太.
愛因斯坦提出了兩條基本原理作為討論運(yùn)動(dòng)物體光學(xué)現(xiàn)象的基礎(chǔ).第一個(gè)叫做相對(duì)性原理.它是說：如果坐標(biāo)系K'相對(duì)于坐標(biāo)系K作勻速運(yùn)動(dòng)而沒有轉(zhuǎn)動(dòng),則相對(duì)于這兩個(gè)坐標(biāo)系所做的任何物理實(shí)驗(yàn),都不可能區(qū)分哪個(gè)是坐標(biāo)系K,哪個(gè)是坐標(biāo)系K′.第二個(gè)原理叫光速不變?cè)?它是說光（在真空中）的速度c是恒定的,它不依賴于發(fā)光物體的運(yùn)動(dòng)速度.
從表面上看,光速不變似乎與相對(duì)性原理沖突.因?yàn)榘凑战?jīng)典力學(xué)速度的合成法則,對(duì)于K′和K這兩個(gè)做相對(duì)勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系,光速應(yīng)該不一樣.愛因斯坦認(rèn)為,要承認(rèn)這兩個(gè)原理沒有抵觸,就必須重新分析時(shí)間與空間的物理概念.
經(jīng)典力學(xué)中的速度合成法則實(shí)際依賴于如下兩個(gè)假設(shè)：1．兩個(gè)事件發(fā)生的時(shí)間間隔與測(cè)量時(shí)間所用的鐘的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)沒有關(guān)系；2．兩點(diǎn)的空間距離與測(cè)量距離所用的尺的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無關(guān).愛因斯坦發(fā)現(xiàn),如果承認(rèn)光速不變?cè)砼c相對(duì)性原理是相容的,那么這兩條假設(shè)都必須摒棄.這時(shí),對(duì)一個(gè)鐘是同時(shí)發(fā)生的事件,對(duì)另一個(gè)鐘不一定是同時(shí)的,同時(shí)性有了相對(duì)性.在兩個(gè)有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中,測(cè)量?jī)蓚€(gè)特定點(diǎn)之間的距離得到的數(shù)值不再相等.距離也有了相對(duì)性.
如果設(shè)K坐標(biāo)系中一個(gè)事件可以用三個(gè)空間坐標(biāo)x、y、z和一個(gè)時(shí)間坐標(biāo)t來確定,而K′坐標(biāo)系中同一個(gè)事件由x′、y′、z′和t′來確定,則愛因斯坦發(fā)現(xiàn),x′、y′、z′和t′可以通過一組方程由x、y、z和t求出來.兩個(gè)坐標(biāo)系的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度和光速c是方程的唯一參數(shù).這個(gè)方程最早是由洛侖茲得到的,所以稱為洛侖茲變換.
利用洛侖茲變換很容易證明,鐘會(huì)因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)而變慢,尺在運(yùn)動(dòng)時(shí)要比靜止時(shí)短,速度的相加滿足一個(gè)新的法則.相對(duì)性原理也被表達(dá)為一個(gè)明確的數(shù)學(xué)條件,即在洛侖茲變換下,帶撇的空時(shí)變量x'、y'、z'、t'將代替空時(shí)變量x、y、z、t,而任何自然定律的表達(dá)式仍取與原來完全相同的形式.人們稱之為普遍的自然定律對(duì)于洛侖茲變換是協(xié)變的.這一點(diǎn)在我們探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用.
此外,在經(jīng)典物理學(xué)中,時(shí)間是絕對(duì)的.它一直充當(dāng)著不同于三個(gè)空間坐標(biāo)的獨(dú)立角色.愛因斯坦的相對(duì)論把時(shí)間與空間聯(lián)系起來了.認(rèn)為物理的現(xiàn)實(shí)世界是各個(gè)事件組成的,每個(gè)事件由四個(gè)數(shù)來描述.這四個(gè)數(shù)就是它的時(shí)空坐標(biāo)t和x、y、z,它們構(gòu)成一個(gè)四維的連續(xù)空間,通常稱為閔可夫斯基四維空間.在相對(duì)論中,用四維方式來考察物理的現(xiàn)實(shí)世界是很自然的.狹義相對(duì)論導(dǎo)致的另一個(gè)重要的結(jié)果是關(guān)于質(zhì)量和能量的關(guān)系.在愛因斯坦以前,物理學(xué)家一直認(rèn)為質(zhì)量和能量是截然不同的,它們是分別守恒的量.愛因斯坦發(fā)現(xiàn),在相對(duì)論中質(zhì)量與能量密不可分,兩個(gè)守恒定律結(jié)合為一個(gè)定律.他給出了一個(gè)著名的質(zhì)量-能量公式：E＝mc2,其中c為光速.于是質(zhì)量可以看作是它的能量的量度.計(jì)算表明,微小的質(zhì)量蘊(yùn)涵著巨大的能量.這個(gè)奇妙的公式為人類獲取巨大的能量,制造原子彈和氫彈以及利用原子能發(fā)電等奠定了理論基礎(chǔ).
對(duì)愛因斯坦引入的這些全新的概念,大部分物理學(xué)家,其中包括相對(duì)論變換關(guān)系的奠基人洛侖茲,都覺得難以接受.舊的思想方法的障礙,使這一新的物理理論直到一代人之后才為廣大物理學(xué)家所熟悉,就連瑞典皇家科學(xué)院,1922年把諾貝爾獎(jiǎng)金授予愛因斯坦時(shí),也只是說“由于他對(duì)理論物理學(xué)的貢獻(xiàn),更由于他發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的定律.”對(duì)于相對(duì)論只字未提.
愛因斯坦于1915年進(jìn)一步建立起了廣義相對(duì)論.狹義相對(duì)性原理還僅限于兩個(gè)相對(duì)做勻速運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系,而在廣義相對(duì)論性原理中勻速運(yùn)動(dòng)這個(gè)限制被取消了.他引入了一個(gè)等效原理,認(rèn)為我們不可能區(qū)分引力效應(yīng)和非勻速運(yùn)動(dòng),即非勻速運(yùn)動(dòng)和引力是等效的.他進(jìn)而分析了光線在靠近一個(gè)行量附近穿過時(shí)會(huì)受到引力而彎折的現(xiàn)象,認(rèn)為引力的概念本身完全不必要.可以認(rèn)為行星的質(zhì)量使它附近的空間變成彎曲,光線走的是最短程線.基于這些討論,愛因斯坦導(dǎo)出了一組方程,它們可以確定由物質(zhì)的存在而產(chǎn)生的彎曲空間幾何.利用這個(gè)方程,愛因斯坦計(jì)算了水星近日點(diǎn)的位移量,與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值完全一致,解決了一個(gè)長(zhǎng)期解釋不了的困難問題,這使愛因斯坦激動(dòng)不已.他在寫給埃倫菲斯特的信中這樣寫道：“……方程給出了近日點(diǎn)的正確數(shù)值,你可以想象我有多高興!有好幾天,我高興得不知怎樣才好.”
1915年11月25日,愛因斯坦把題為“萬(wàn)有引力方程”的論文提交給了柏林的普魯士科學(xué)院,完整地論述了廣義相對(duì)論.在這篇文章中他不僅解釋了天文觀測(cè)中發(fā)現(xiàn)的水星軌道近日點(diǎn)移動(dòng)之謎,而且還預(yù)言：星光經(jīng)過太陽(yáng)會(huì)發(fā)生偏折,偏折角度相當(dāng)于牛頓理論所預(yù)言的數(shù)值的兩倍.第一次世界大戰(zhàn)延誤了對(duì)這個(gè)數(shù)值的測(cè)定.1919年5月25日的日全食給人們提供了大戰(zhàn)后的第一次觀測(cè)機(jī)會(huì).英國(guó)人愛丁頓奔赴非洲西海岸的普林西比島,進(jìn)行了這一觀測(cè).11月6日,湯姆遜在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)聯(lián)席會(huì)議上鄭重宣布：得到證實(shí)的是愛因斯坦而不是牛頓所預(yù)言的結(jié)果.他稱贊道“這是人類思想史上最偉大的成就之一.愛因斯坦發(fā)現(xiàn)的不是一個(gè)小島,而是整整一個(gè)科學(xué)思想的新大陸.”泰晤士報(bào)以“科學(xué)上的革命”為題對(duì)這一重大新聞做了報(bào)道.消息傳遍全世界,愛因斯坦成了舉世矚目的名人.廣義相對(duì)論也被提高到神話般受人敬仰的寶座.
從那時(shí)以來,人們對(duì)廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)表現(xiàn)出越來越濃厚的興趣.但由于太陽(yáng)系內(nèi)部引力場(chǎng)非常弱,引力效應(yīng)本身就非常小,廣義相對(duì)論的理論結(jié)果與牛頓引力理論的偏離很小,觀測(cè)非常困難.七十年代以來,由于射電天文學(xué)的進(jìn)展,觀測(cè)的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破了?/div>