愛(ài)因斯坦相對(duì)論是關(guān)于時(shí)空和引力的基本理論,主要由愛(ài)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)是相對(duì)性原理,即物理定律與參照系的選擇無(wú)關(guān).狹義相對(duì)論討論的是勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參照系之間的物理定律,后者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系）,并在等效原理的假設(shè)下,廣泛應(yīng)用于引力場(chǎng)中.相對(duì)論顛覆了人類對(duì)宇宙和自然的常識(shí)性觀念,提出了“時(shí)間和空間的相對(duì)性”,“四維時(shí)空”,“彎曲空間”等全新的概念.狹義相對(duì)論提出于1905年,廣義相對(duì)論提出于1915年.
目錄
概述兩大支柱
牛頓定律
質(zhì)能公式
《相對(duì)論》
·第一部分 狹義相對(duì)論
·第二部分 廣義相對(duì)論
論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)
1、同時(shí)性的定義概述
概念
坐標(biāo)值
2 關(guān)于長(zhǎng)度和時(shí)間的相對(duì)性概述
注意：
概述 兩大支柱
牛頓定律
質(zhì)能公式
《相對(duì)論》
·第一部分 狹義相對(duì)論
·第二部分 廣義相對(duì)論
論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)
1、同時(shí)性的定義 概述
概念
坐標(biāo)值
2 關(guān)于長(zhǎng)度和時(shí)間的相對(duì)性 概述
注意：
展開(kāi) 編輯本段概述
兩大支柱
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.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)的物體和微觀領(lǐng)域.相對(duì)論解決了高速運(yùn)動(dòng)問(wèn)題；量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問(wèn)題.
牛頓定律
由于牛頓定律給狹義相對(duì)論提出了困難,即任何空間位置的任何物體都要受到力的作用.因此,在整個(gè)宇宙中不存在慣性觀測(cè)者.愛(ài)因斯坦為了解決這一問(wèn)題又提出了廣義相對(duì)論.
質(zhì)能公式
狹義相對(duì)論最著名的推論是質(zhì)能公式,它可以用來(lái)計(jì)算核反應(yīng)過(guò)程中所釋放的能量,并導(dǎo)致了原子彈的誕生.而廣義相對(duì)論所預(yù)言的引力透鏡和黑洞,也相繼被天文觀測(cè)所證實(shí).
《相對(duì)論》
《相對(duì)論》是愛(ài)因斯坦所著的一部在世界科學(xué)理論界影響巨大的著作,主要包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論原理的闡述,中文版本由周學(xué)政、徐有智編譯,編譯目錄如下：
·第一部分 狹義相對(duì)論
1.幾何命題的物理意義 2.坐標(biāo)系 3.經(jīng)典力學(xué)中的空間和時(shí)間 4.伽利略坐標(biāo)系 5.狹義相對(duì)性原理 6.經(jīng)典力學(xué)中所用到的速度相加原理 7.光的傳播定律與相對(duì)性原理的表面抵觸 8.物理學(xué)的時(shí)間觀 9.同時(shí)性的相對(duì)性 10.距離概念的相對(duì)性 11.洛倫茲變換 12.量桿和時(shí)鐘在運(yùn)動(dòng)時(shí)的行為 13.速度相加原理：斐索試驗(yàn) 14.相對(duì)論的啟發(fā)作用 15.狹義相對(duì)論的普遍性結(jié)果 16.經(jīng)驗(yàn)和狹義相對(duì)論 17.四維空間
·第二部分 廣義相對(duì)論
1.狹義和廣義相對(duì)性原理 2.引力場(chǎng) 3.引力場(chǎng)的思想試驗(yàn) 4.慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等是廣義相對(duì)性公設(shè)的一個(gè)論據(jù) 5.等效原理 6.經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)和狹義相對(duì)倫的基礎(chǔ)在哪些方面不能令人滿意 7.廣義相對(duì)性原理的幾個(gè)推論 8.在轉(zhuǎn)動(dòng)的參考物上的鐘和量桿的行為 9.歐幾里得和非歐幾里得連續(xù)區(qū)域 10.高斯坐標(biāo) 11.狹義相對(duì)論得時(shí)空連續(xù)區(qū)可以當(dāng)作歐幾里得連續(xù)區(qū) 12.廣義相對(duì)論得時(shí)空連續(xù)區(qū)不是歐幾里得連續(xù)區(qū) 13.廣義相對(duì)論原理的嚴(yán)格表述 14.在廣義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上理解引力問(wèn)題.
論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)
愛(ài)因斯坦 根據(jù)范岱年、趙中立、許良英編譯《愛(ài)因斯坦文集》編輯 大家知道,麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)——象現(xiàn)在通常為人們所理解的那樣——應(yīng)用到運(yùn)動(dòng)的物體上時(shí),就要引起一些不對(duì)稱,而這種不對(duì)稱似乎不是現(xiàn)象所固有的.比如設(shè)想一個(gè)磁體同一個(gè)導(dǎo)體之間的電動(dòng)力的相互作用.在這里,可觀察到的現(xiàn)象只同導(dǎo)休和磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān),可是按照通常的看法,這兩個(gè)物體之中,究竟是這個(gè)在運(yùn)動(dòng),還是那個(gè)在運(yùn)動(dòng),卻是截然不同的兩回事.如果是磁體在運(yùn)動(dòng),導(dǎo)體靜止著,那么在磁體附近就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)具有一定能量的電場(chǎng),它在導(dǎo)體各部分所在的地方產(chǎn)生一股電流.但是如果磁體是靜止的,而導(dǎo)體在運(yùn)動(dòng),那么磁體附近就沒(méi)有電場(chǎng),可是在導(dǎo)體中卻有一電動(dòng)勢(shì),這種電動(dòng)勢(shì)本身雖然并不相當(dāng)于能量,但是它——假定這里所考慮的兩種情況中的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是相等的——卻會(huì)引起電流,這種電流的大小和路線都同前一情況中由電力所產(chǎn)生的一樣. 堵如此類的例子,以及企圖證實(shí)地球相對(duì)于“光煤質(zhì)”運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)的失敗,引起了這樣一種猜想：絕對(duì)靜止這概念,不僅在力學(xué)中,而且在電動(dòng)力學(xué)中也不符合現(xiàn)象的特性,倒是應(yīng)當(dāng)認(rèn)為,凡是對(duì)力學(xué)方程適用的一切坐標(biāo)系,對(duì)于上述電動(dòng)力學(xué)和光學(xué)的定律也一樣適用,對(duì)于第一級(jí)微量來(lái)說(shuō),這是已經(jīng)證明了的.我們要把這個(gè)猜想（它的內(nèi)容以后就稱之為“相對(duì)性原理”）提升為公設(shè),并且還要引進(jìn)另一條在表面上看來(lái)同它不相容的公設(shè)：光在空虛空間里總是以一確定的速度 C 傳播著,這速度同發(fā)射體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān).由這兩條公設(shè),根據(jù)靜體的麥克斯韋理論,就足以得到一個(gè)簡(jiǎn)單而又不自相矛盾的動(dòng)體電動(dòng)力學(xué).“光以太”的引用將被證明是多余的,因?yàn)榘凑者@里所要闡明的見(jiàn)解,既不需要引進(jìn)一個(gè)共有特殊性質(zhì)的“絕對(duì)靜止的空間”,也不需要給發(fā)生電磁過(guò)程的空虛實(shí)間中的每個(gè)點(diǎn)規(guī)定一個(gè)速度矢量. 這里所要閘明的理論——象其他各種電動(dòng)力學(xué)一樣——是以剛體的運(yùn)動(dòng)學(xué)為根據(jù)的,因?yàn)槿魏芜@種理論所講的,都是關(guān)于剛體（坐標(biāo)系）、時(shí)鐘和電磁過(guò)程之間的關(guān)系.對(duì)這種情況考慮不足,就是動(dòng)體電動(dòng)力學(xué)目前所必須克服的那些困難的根源.
編輯本段1、同時(shí)性的定義
概述
設(shè)有一個(gè)牛頓力學(xué)方程在其中有效的坐標(biāo)系.為了使我們的陳述比較嚴(yán)謹(jǐn),并且便于將這坐標(biāo)系同以后要引進(jìn)來(lái)的別的坐標(biāo)系在字面上加以區(qū)別,我們叫它“靜系”.
概念
如果一個(gè)質(zhì)點(diǎn)相對(duì)于這個(gè)坐標(biāo)系是靜止的,那么它相對(duì)于后者的位置就能夠用剛性的量桿按照歐兒里得幾何的方法來(lái)定出,并且能用笛卡兒坐標(biāo)來(lái)表示.
坐標(biāo)值
如果我們要描述一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng),我們就以時(shí)間的函數(shù)來(lái)給出它的坐標(biāo)值.現(xiàn)在我們必須記住,這樣的數(shù)學(xué)描述,只有在我們十分清楚地懂得“時(shí)間”在這里指的是什么之后才有物理意義.我們應(yīng)當(dāng)考慮到：凡是時(shí)間在里面起作用的我們的一切判斷,總是關(guān)于同時(shí)的事件的判斷.比如我說(shuō),“那列火車7點(diǎn)鐘到達(dá)這里”,這大概是說(shuō)：“我的表的短針指到 7 同火車的到達(dá)是同時(shí)的事件.” 也許有人認(rèn)為,用“我的表的短針的位置”來(lái)代替“時(shí)間”,也許就有可能克服由于定義“時(shí)間”而帶來(lái)的一切困難.事實(shí)上,如果問(wèn)題只是在于為這只表所在的地點(diǎn)來(lái)定義一種時(shí)間,那么這樣一種定義就已經(jīng)足夠了；但是,如果問(wèn)題是要把發(fā)生在不同地點(diǎn)的一系列事件在時(shí)間上聯(lián)系起來(lái),或者說(shuō)——其結(jié)果依然一樣——要定出那些在遠(yuǎn)離這只表的地點(diǎn)所發(fā)生的事件的時(shí)間,那么這樣的定義就不夠了. 當(dāng)然,我們對(duì)于用如下的辦法來(lái)測(cè)定事件的時(shí)間也許會(huì)成到滿意,那就是讓觀察者同表一起處于坐標(biāo)的原點(diǎn)上,而當(dāng)每一個(gè)表明事件發(fā)生的光信號(hào)通過(guò)空虛空間到達(dá)觀察者時(shí),他就把當(dāng)時(shí)的時(shí)針位置同光到達(dá)的時(shí)間對(duì)應(yīng)起來(lái).但是這種對(duì)應(yīng)關(guān)系有一個(gè)缺點(diǎn),正如我們從經(jīng)驗(yàn)中所已知道的那樣,它同這個(gè)帶有表的觀察者所在的位置有關(guān).通過(guò)下面的考慮,我們得到一種此較切合實(shí)際得多的測(cè)定法. 如果在空間的A點(diǎn)放一只鐘,那么對(duì)于貼近 A 處的事件的時(shí)間,A處的一個(gè)觀察者能夠由找出同這些事件同時(shí)出現(xiàn)的時(shí)針位置來(lái)加以測(cè)定,如果．又在空間的B點(diǎn)放一只鐘——我們還要加一句,“這是一只同放在 A 處的那只完全一樣的鐘.” 那么,通過(guò)在 B 處的觀察者,也能夠求出貼近 B 處的事件的時(shí)間.但要是沒(méi)有進(jìn)一步的規(guī)定,就不可能把 A 處的事件同 B 處的事件在時(shí)間上進(jìn)行比較；到此為止,我們只定義了“ A 時(shí)間”和“ B 時(shí)間”,但是并沒(méi)有定義對(duì)于 A 和 B 是公共的“時(shí)間”.只有當(dāng)我們通過(guò)定義,把光從 A 到 B 所需要的“時(shí)間”,規(guī)定為等于它從 B 到 A 所需要的“時(shí)間”,我們才能夠定義 A 和 B 的公共“時(shí)間”.設(shè)在“A 時(shí)間”tA ,從 A 發(fā)出一道光線射向 B ,它在“ B 時(shí)間”, tB .又從 B 被反射向 A ,而在“A時(shí)間”t`A回到A處.如果 tB-tA=t’A-t’B 那么這兩只鐘按照定義是同步的. 我們假定,這個(gè)同步性的定義是可以沒(méi)有矛盾的,并且對(duì)于無(wú)論多少個(gè)點(diǎn)也都適用,于是下面兩個(gè)關(guān)系是普遍有效的： 1 ．如果在 B 處的鐘同在 A 處的鐘同步,那么在 A 處的鐘也就同B處的鐘同步. 2 ．如果在 A 處的鐘既同 B 處的鐘,又同 C 處的鐘同步的,那么, B 處同 C 處的兩只鐘也是相互同步的. 這樣,我們借助于某些（假想的）物理經(jīng)驗(yàn),對(duì)于靜止在不同地方的各只鐘,規(guī)定了什么叫做它們是同步的,從而顯然也就獲得了“同時(shí)”和“時(shí)間”的定義.一個(gè)事件的“時(shí)間”,就是在這事件發(fā)生地點(diǎn)靜止的一只鐘同該事件同時(shí)的一種指示,而這只鐘是同某一只特定的靜止的鐘同步的,而且對(duì)于一切的時(shí)間測(cè)定,也都是同這只特定的鐘同步的. 根據(jù)經(jīng)驗(yàn),我們還把下列量值 2|AB|/(t’A-tA)=c 當(dāng)作一個(gè)普適常數(shù)（光在空虛空間中的速度）. 要點(diǎn)是,我們用靜止在靜止坐標(biāo)系中的鐘來(lái)定義時(shí)間,由于它從屬于靜止的坐標(biāo)系,我們把這樣定義的時(shí)間叫做“靜系時(shí)間”.
編輯本段2 關(guān)于長(zhǎng)度和時(shí)間的相對(duì)性
概述
下面的考慮是以相對(duì)性原理和光速不變?cè)頌橐罁?jù)的,這兩條原理我們定義,如下. 1 ．物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律,同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標(biāo)系究競(jìng)是用兩個(gè)在互相勻速移動(dòng)著的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)并無(wú)關(guān)系. 2 ．任何光線在“靜止的”坐標(biāo)系中都是以確定的速度 c運(yùn)動(dòng)著,不管這道光線是由靜止的還是運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)射出來(lái)的.由此,得 光速=光路的路程/時(shí)間間隔 這里的“時(shí)間間隔”,是依照§1中所定義的意義來(lái)理解的. 設(shè)有一靜止的剛性桿；用一根也是靜止的量桿量得它的長(zhǎng)度是l．我們現(xiàn)在設(shè)想這桿的軸是放在靜止坐標(biāo)系的 X 軸上,然后使這根桿沿著X軸向 x 增加的方向作勻速的平行移動(dòng)（速度是 v ）.我們現(xiàn)在來(lái)考查這根運(yùn)動(dòng)著的桿的長(zhǎng)度,并且設(shè)想它的長(zhǎng)度是由下面兩種操作來(lái)確定的： a ）觀察者同前面所給的量桿以及那根要量度的桿一道運(yùn)動(dòng),并且直接用量桿同桿相疊合來(lái)量出桿的長(zhǎng)度,正象要量的桿、觀察者和量桿都處于靜止時(shí)一樣. b ）觀察者借助于一些安置在靜系中的、并且根據(jù)§1作同步運(yùn)行的靜止的鐘,在某一特定時(shí)刻 t ,求出那根要量的桿的始末兩端處于靜系中的哪兩個(gè)點(diǎn)上.用那根已經(jīng)使用過(guò)的在這種情況下是靜止的量桿所量得的這兩點(diǎn)之間的距離,也是一種長(zhǎng)度,我們可以稱它為“桿的長(zhǎng)度”. 由操作 a ）求得的長(zhǎng)度,我們可稱之為“動(dòng)系中桿的長(zhǎng)度”.根據(jù)相對(duì)性原理,它必定等于靜止桿的長(zhǎng)度 l . 由操作 b ）求得的長(zhǎng)度,我們可稱之為“靜系中（運(yùn)動(dòng)著的）桿的長(zhǎng)度”.這種長(zhǎng)度我們要根據(jù)我們的兩條原理來(lái)加以確定,并且將會(huì)發(fā)現(xiàn),它是不同于 l的. 通常所用的運(yùn)動(dòng)學(xué)心照不宣地假定了：用上面這兩種操作所測(cè)得的長(zhǎng)度彼此是完全相等的,或者換句話說(shuō),一個(gè)運(yùn)動(dòng)著的剛體,于時(shí)期 t ,在幾何學(xué)關(guān)系上完全可以用靜止在一定位置上的同一物體來(lái)代替. 此外,我們?cè)O(shè)想,在桿的兩端（A和B),都放著一只同靜系的鐘同步了的鐘,也就是說(shuō),這些鐘在任何瞬間所報(bào)的時(shí)刻,都同它們所在地方的“靜系時(shí)間”相一致；因此,這些鐘也是“在靜系中同步的”. 我們進(jìn)一步設(shè)想,在每一只鐘那里都有一位運(yùn)動(dòng)著的觀察者同它在一起,而且他們把§1中確立起來(lái)的關(guān)于兩只鐘同步運(yùn)行的判據(jù)應(yīng)用到這兩只鐘上.設(shè)有一道光線在時(shí) 間tA從 A 處發(fā)出,在時(shí)間tB于 B 處被反射回,并在時(shí)間t`A返回到 A 處.考慮到光速不變?cè)?我們得到： tB-tA=rAB/(c-v) 和 t’A-tB=rAB/(c+v) 此處 rAB表示運(yùn)動(dòng)著的桿的長(zhǎng)度——在靜系中量得的.因此,同動(dòng)桿一起運(yùn)動(dòng)著的觀察者會(huì)發(fā)現(xiàn)這兩只鐘不是同不進(jìn)行的,可是處在靜系中的觀察者卻會(huì)宣稱這兩只鐘是同步的. 由此可見(jiàn),我們不能給予同時(shí)性這概念以任何絕對(duì)的意義；兩個(gè)事件,從一個(gè)坐標(biāo)系看來(lái)是同時(shí)的,而從另一個(gè)相對(duì)于這個(gè)坐標(biāo)系運(yùn)動(dòng)著的坐標(biāo)系看來(lái),它們就不能再被認(rèn)為是同時(shí)的事件了.
注意：
大家可以看到,愛(ài)因斯坦定義的時(shí)間,是看到的時(shí)間,而不是經(jīng)典理論中,可形成公認(rèn)的、與條件無(wú)關(guān)、均勻流逝的時(shí)間.因此得到不同的時(shí)間和速度,不足為奇.問(wèn)題是我們需要修改時(shí)間定義嗎?除了愛(ài)因斯坦相對(duì)論,我們現(xiàn)在有普適相對(duì)論,可以解釋接近光速所出現(xiàn)的現(xiàn)象.