相对论简介

相对论简介

杨兵蔚

（四川省广汉市第四中学618300）

摘要：基于我们在宇宙中并不处于独特优越的位置上这一见解，和物质的客观性，爱因斯坦认为，我们想研究任何事物的基本价值，包括我们所写的方程式，都不应该依赖于我们是谁，我们的位置在哪里，和我们怎样运动，即他深信我们理解宇宙事物的方法应该是同观测者的位置和运动状态完全无关的。

关键词：相对论

“什么是相对论啊？”一天晚上，寝室息灯之后，我们躺在床上天南海北的闲聊，同寝室一个化学系的同学突然问。作为物理系的学生，要是说不出个名堂来，就会像中国人不知道北京一样使人难堪。想了一下之后，我说：“要使一根木棍变短，但又不能砍断或损坏，该怎么办？”“拿一根更长的与它相比。”那个同学脱口而出。“对，这就是相对论。”在片刻的沉默后，全寝室都笑了。

以上是一件发生在我大学时期的事，后来回想起来，感觉那不过是一个幽默罢了，对于想了解相对论的人来说，又起得了多大作用呢？于是我就在想，如何才能以极简单的话和极少的数学，让那些想了解相对论，又没有足够物理和数学知识的人去认识这个伟大理论。尽管对任何物理概念的明智探讨都不能忽视数学；在发现、论证、扩展及运用物理定律时，需要相当的数学能力。但，毕竟我们师范学生更多的是去面对刚睁开双眼，对整个世界充满好奇与向往的中学生，如何引导他们满怀兴趣地进入科学的殿堂才是主要的问题。

基于以上问题的思考，此文得以产生了。本文的目的是使一般人能抓住和欣赏这一看似高深的理论的基本思想，而不至于陷于数学的困境中。

提到相对论，人们通常会想到爱因斯坦，想到原子弹和核能，想到一切事物都是相对的。然而，相对论的思想并非起于爱因斯坦，核能基本上也是一种副产品；而且，爱因斯坦的贡献并不完全属于物理领域，他一生发表了350多篇论文，甚至得过几项专利。

爱因斯坦相对论理论的重大意义在于对时空基本概念的重新考察，他关心那些从任何角度看上去都是普遍的、相同的事物。然而从“光速不变”这一革命思想出发，他发现许多过去认为是不变的或绝对的事物，如时间和空间，实际上都是相对的，就像我们期末把作业拿来复习的时候，发现一道被老师划了勾的题，原来是错的一样。由于爱因斯坦对时空的新认识和探索问题直接简明的特点，使狭义相对论和广义相对论得以逐步建立。但由于这个理论的抽象与深奥，在当时仅为少数人所理解。只有当新理论推导出的预言逐渐被一系列实验验证后，它才开始为人们所接受。

前面已经说过，相对论的创立，是基于对时间和空间的探讨，那么就让我先来看一下相对论以前占统治地位二百年之久的牛顿经典时空观吧。

与一般人想象的那样，牛顿对时间的定义是：绝对真实的，数学的时间，按其性质自然而然地稳定地流逝，与任何外界没有任何联系；对空间的定义是：绝对空间，按其固有性质不与外界发生联系，总保持相似和不动[2]。尽管牛顿也认识到所测量的时间和空间都是相对的，他也明白时间的逝去是因为我们看到某些物体已改变了各自在空间的位置，但他仍然强调他的理论体系是建立在绝对时空基础上的。

牛顿的这些思想在他去世两百多年后，遭到物理学家马赫的批判，马赫认为时间的稳定或平稳流逝的含意是必须有一种独立的方式来确定何为稳定或平稳,就像我们判断对错要有标准一样。那么我们根据什么来判断时间是稳定或平稳的呢？

爱因斯坦的思想很大程度上受到马赫的影响，他认为一切运动都是相对的，包括时间，也不存在绝对空间。然而，值得注意的是光却例外了，“光速不变”后来却成了他新理论的基础。“光速不变”是十九世纪末科学家们在探测以太的实验中得出的意义重大的结论。

二十世纪物理学的发展所处的环境与牛顿时代的情况颇具相似之处。好几位天赋极高的科学家在一系列指日便可解决的问题上都已接近最后的突破，但他们中只会有一人——爱因斯坦或牛顿——最终驾驭了形式。

正当其他物理学家致力于解决某一具体问题的时候，爱因斯坦却认为有必要对时间和空间的意义及测定两者的方式进行一次再考察。他认识到时间和空间不是互为独立的。比如，我们知道时间的逝去，是因为我们看到物体已改变了各自在空间的位置。当然这就涉及到光，因为所有这些观察都是利用了光从进行的物体运动到我们眼中这一事实。于是新思想便在爱因斯坦的头脑中逐渐形成。就像农民种庄稼要选好种子，科学家做实验要选好器材一样，爱因斯坦选择了“光速不变原理”和“相对性原理”，因为这两个理论有可靠的实验验证。

早在1905年，26岁的爱因斯坦就在一篇论文中提出两个特别原理[2]：

1 物理定律在一切惯性参考系中不变。

2 无论光源或测光器的速度如何，真空中光的速率在一切惯性参考系中是一样的。

这是一条物理定律。因此，爱因斯坦指出，任何实验手段都不可能探测到以太，以太是一种毫无用处的概念，应予以抛去。

根据以上思想和原理，爱因斯坦建立起了狭义相对论，一种只在惯性系中才成立的理论。他的这一新理论的结论是：人们一向认为不变的东西——时间、长度及质量，实际上都是相对的，都是能够变化的，光速是一种速率极限，质量是能的一种形式；另外，时间可以缩短，但倒流是不可能的。这些结论让人们感到不可思议，所以当时理解这一理论的人并不多。

狭义相对论发表后，爱因斯坦又在思考能不能建立一种更为广泛的理论，任何参考系都能适用，因为绝对参考系是找不到的，就像我们找不到绝对的大和小一样。如果承认绝对的惯性参考系，就相当于有绝

对空间，这是相对性原理所不允许的。我们只能找到近似于惯性系的参考系，于是整个理论就好像建立在沙滩上一样。另外，当时的物理学界知道的两种力：电磁力和万有引力，前者可纳入狭义相对论，而后者却不能。这两种情况显然不令人满意。于是，爱因斯坦开始研究适用于一切参考系的理论——广义相对论。他花了十年左右的时间，在1916年发表了这一理论的完整解释。以回答科学界的极大反响。1905年爱因斯坦发表狭义相对论时，好几位物理学家也都声称自己几乎得出了狭义相对论，然而，广义相对论却毫无争议地被公认为是他的独特见解。

爱因斯坦对广义相对论的研究始于一项起初看起来似乎是无关紧要的观察。他注意到，牛顿第二定律F=ma中的m是一种惯性质量，而万有引力F=Gm1m2\r2中的m是一种引力质量。而当时的几项精确实验表明，两种质量没有差别。爱因斯坦提出质疑：这两个定律所含有这同一种量是否仅为巧合？他认为加速度与引力之间必定有某种联系，接着，他又证明将两者区分开是不可能的[5]。这种关系后来被称为爱因斯坦的等效假定，即惯性力与引力有相同的本质，也可以说惯性质量与引力质量是等同的。

在以上这些关于时间、空间和引力的新思想诞生后，下一步就是找合适的数学工具，用以建立新理论。在探索过程中，爱因斯坦深感数学知识的欠缺，便接受朋友的忠告，开始研究黎曼几何和张量分析。

爱因斯坦就是这样一个人，虽然他比普通孩子说话晚，但他的许多才华甚至在童年就已显露无疑；对于不感兴趣的课程，他总是做得不如感兴趣的好，但当他发现不得不掌握某些知识以满足入学要求时，他总能很快做到；虽然不喜欢军队式的管理方式，但他却能从相当程度上做到自我约束；他不是一位杰出的数学家，但他的数学知识又足以胜任工作的需要。

由于爱因斯坦设想万有引力不是一种真正的力，而是时空弯曲的表现。质量的大量聚集产生引力场而导致了周围时空的弯曲，那么广义相对论应包括两方面的内容[3]：

1、场方程：描述物质如何造成时空弯曲。

2、运动方程：描述质点如何在弯曲时空中运动。

基于以上一系列工作，广义相对论逐渐得以建立。

天文学上的发现使人们感到沮丧，因为它使人们发现人类不过是一群依附在一小块岩石上无足轻重的微生物。不过，令人感到高兴的是，就是这样一群小微生物，却有观察和理解不知有无边界的宇宙的非凡能力。

人类也真够伟大，不仅可由实验得出新理论；有时，理论还可以走到实验的前面。爱因斯坦由广义相对论得出以下预言[1]：

1、水星近日点的进动。（牛顿理论与观测有差别[4]）

2、星光在太阳附近被弯曲。（牛顿理论计算值只是观测值的一半[4]）

3、引力红移。（引力场强的地方，时间变慢，使光频率变低）

由于需要大质量物体才能使时空产生明显弯曲，这样，临近地球的有最大曲率的空间在太阳附近。于是，一系列的观测展开了。到目前为止，三个预言已被无数次证实，而且技术手段一次比一次先进。这些验证被认为是广义相对论正确性的有力证据。不过爱因斯坦本人也说：“不管多少次的实验都不可能证明一个理论是对的，但只需一个实验就可证明那个理论是错的。”

广义相对论的杰出和美妙，还在于它开创了两门崭新的物理学——黑洞物理学和相对论宇宙学。今天，有无数的科学家为探索这些新理论而勤奋工作着。

现在，让我们来回顾一下以上所有内容。我们看到，相对论的发展分两个阶段——狭义相对论和广义相对论。后者把参考系从惯性系推广到一切参考系，前者是后者的特殊情况。在广义相对论中，万引力已和惯性力一样，是假想的，取而代之的是弯曲的时空结构，由光线的弯曲路径表现出来。质量越大，时空曲率越大。

不过，值得一提的是，相对论把光速提高到支配一切的地步，并似乎是绝对的，具有很大的人为性质。

本文的最后，让我们来看一下新旧时空观的联系。

正当牛顿建立的经典时空观在几乎一切情况下都给出很高精度的时候，为什么要去领受牵涉到四维时空繁复计算的极度烦恼呢？要知道，牛顿引力的数学描述比爱因斯坦的简单得多。当我们派遣宇航员或向行星发射飞行器，在计算轨道时经典的牛顿理论已经运用得很好了。其原因在于，在弱引力场中，如地球、月亮等星体，拿力的作用来代替弯曲时空的作用是可以的，但对强引力场，如太阳，或其它大质量恒星，牛顿的经典时空观便不再精确了。这就告诉我们，将宇宙中一个狭小范围内确定的自然法则任意加以扩大，并用于整个宇宙，这种扩大肯定是难以让人置信的。就像以前我们把麻雀列人四害之一，要它适用于现在，是难以让人接受的一样。我们没有理由要求牛顿理论适用于整个宇宙，也正如我们没有理由要求相对论是整个宇宙发展的最终理论一样。

因此，在科学史上大多数科学家曾几度认为科学几乎“完美无缺”但在此之后，接踵而来的却是更多的科学革命。这些革命极大地改变了我们对物理宇宙的理解。很难预料，下一步将会出现什么新的趋势。当然，倘若去向已明，也就无所谓创新了。

可见，自然界还有很多奇迹在等待着我们去发现呢。

参考书目

[1] 爱因斯坦论著选编上海人民出版社 1973年 110 112 9

[2] 美：N、施皮尔伯格震撼宇宙的七大思想科学出版社 1992年 168 195

[3] 赵峥黑洞与弯曲时空山西科学技术出版社 2000年 43 45 69 89 91

[4] 爱因斯坦文集（第二卷）商务印书馆 1977年 153 120

作者：广汉市第四中学杨兵蔚邮编：618306

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