狭义与广义相对论浅说的作品片段

2025-02-07 20:45:03

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回答1：

爱因斯坦作为一个著名的科学家，不仅创造了深奥的相对论理论，而且试图把这种深奥的科学理论让更多的人了解，于是他写作了《狭义与广义相对论浅说》。这本书分为两部分：《狭义相对论》（1905年发表），《广义相对论》（1915年发表）。《狭义与广义相对论浅说》是物理学科中的重要经典著作之一，也是爱因斯坦亲自对他的相对论所做的大众化解释。
爱因斯坦根据自然科学和几何学发展状况，批判了欧几里得几何，接受和运用了非欧几何，并运用非欧几何来建立和论证他的相对论理论。
狭义相对论有两个基本原理：第一个原理是相对性原理，即物理学定律在所有惯性系中是相同的，不存在一种特殊的惯性系。时间与空间观念都具有相对性。一个观察者看来是同时发生的事件，另一个向他做相对运动的观察者看来便不是同时发生的。两个这样的观察者对两个事件之间的时间间隔的估计将会不一致，同时他们对距离的衡量也会不一致。假定两个相对匀速运动的观察者所得到的光速相同，那么只要他们对时间与空间运用不同的量度，就能对于现象得到相同的自然规律，并能精确地说明这种差别有多少。换句话说，每个观察者都有自己一套时间———空间的框架，对于一切观察者全都相同的绝对空间时间是不存在的。
第二个原理是光速不变原理，即在所有的惯性系中，真空中光的速度具有相同的值。假定一个观察者，带着一把码尺和一只座钟，并把码尺指向他运动的方向。当他向观察者B旁边走过时，在A看来他的尺子不足一码长，他的钟也慢了。B 相对于A的速度愈大，这差额也就愈大。假如B用光速在A的旁边通过，我们得到的结果是惊人的，这时B的码尺长度将等于0，他的钟也完全不走了。这就是说光速是速度的极限，宇宙间没有任何东西能以大于光速的速度运动。运动尺子的缩短和运动时钟的变慢效应，都是相对论时空的基本属性，与物体内部结构无关。如果物体速度比光速小得多，相对论力学就可解释牛顿力学。
在相对论之前，物理学中承认两条极重要的守恒定律，一条是能量守恒定律，一条是质量守恒定律，两条基本定律似乎彼此独立。但通过相对论它们便可结合成一条定律，质量和能量可以变成互换的项目。一个物体如果放射出能量就会损失质量，如果接受能量就会增加质量，当一物体加快运动时，它的能量和质量都会增加，在光速的情况下，它的质量将变成无穷大。这个质量与能量的关系可以通过数学上推导，写成一个表达式：E=mc^2 (E为能量，m为质量，c为光速）。
建立狭义相对论后，爱因斯坦看到了这个理论的局限性，因为它把相对性原理限制在两个做相对匀速运动的惯性系里。它否定了静止的以太阳作为特殊的坐标系是一大进步，但实际上还没有真正解决经典力学中的古老难题。
早在200年前，伽利略就发现，所有的惯性系，对于表述力学定律都是同样有效的，平等的，不存在任何特殊的惯性系，这就是说，任何力学实验都无法辨别惯性系本身的运动状态。这种运动的相对性，在古典力学中普遍存在，但在麦克思韦电动力学中不能成立，因为它只适用于静止的坐标系。经典力学是无法回到惯性系在物理学中的优越性的，因此爱因斯坦意识到要进一步探明这个问题，就必须扩大相对性原理的应用范围。他将自己的研究领域从惯性系拓展到了非惯性系。
在古典力学中，物质有两种质量。一是牛顿第二定律中的惯性质量，二是万有引力定律中的引力质量。地球表面上的任何一个物体都要受到地球对它的引力，并因此会产生加速度。实验告诉人们，一切自由落体在引力作用下都具有同样的加速度。由此可以推算，引力质量与惯性质量是相等的。牛顿曾经研究过这个问题，但没有得到理论上的解释。长期以来，物理学家一直认为两种质量相等是理所当然的，无需从理论上再加以研究。爱因斯坦经过一段时间认真思索，认识到惯性质量与引力质量相等是解决引力问题的关键。以两种质量相等为基础，他提出著名的等效原理：一个加速系统所看到的运动与存在引力场的惯性系统所看到的运动完全相同。爱因斯坦说：完全等效性这一假说，使我们不能说任何参照系有绝对速度一样，并且它使一切在引力场中等加速下落成为当然的事。在“等效原理”的基础上，他又进一步提出了“广义协变原理”：在任何参照系中，物理学规律的数学形式是相同的。就这样，他把相对性原理从惯性系推广到非惯性系。正因为“广义协变原理”是狭义相对论的相对性原理的一种推广，所以爱因斯坦把这种引力理论称为“广义相对论”。
广义相对论实质上是一种引力理论，在有引力场的区域，空间的性质不再服从欧几里得几何，而遵循着非欧几何。比如19世纪德国数学家黎曼所建立的黎曼几何学就是非欧几何学的一种，它描写了非平直空间的性质。爱因斯坦最终选择了黎曼的严格非欧几何作为广义相对论的时空模型。他认为，现实的物质空间不是平直的欧几里得空间，而是弯曲的黎曼空间。空间的弯曲程度取决于物质的质量及其在空间的几何分布情况。物质密度大的地方，则引力场的强度也大，时空就弯曲得厉害。所以把绝对真空看作一个物理实体是毫无意义的。很显然，广义相对论所揭示的物质同时空的关系，比起狭义相对论来更为深刻。因为时空的性质不仅取决于物质的运动，而且更重要的是取决于物质本身的分布。这就从新的高度彻底否定了牛顿的绝对时空观。
广义相对论把几何学与物理学统一起来，用空间结构的几何性质来表述引力场。它同牛顿的引力论有本质的不同，但在日常人们接触到的现象中却分辨不出两者结果的差异。爱因斯坦提供了三个可供实验验证的推论。第一是水星轨道近日点的进动。第二，光线在引力场中的偏转。第三，在强引力场中，时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面射到地球上的光的谱线，必定显得要向光谱的红端移动。这在1925年得到观测验证。

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