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1、周俊亮CHINA | WUHAN UNIVERSITY OF浅谈经典力学与相对论力学电信工 1315 班 0121309341503浅谈经典力学与相对论力学周俊亮（武汉理工大学 湖北 430070）摘要：牛顿经典力学认为质量和能量各自独立存在，且各自守恒，它只适用于物体运动速度远小于光速的范围。狭义相对论颠覆了从牛顿以来形成的时空概念，提示了时间与空间的统一性和相对性，建立了新的时空观。广义相对论把相对原理推广到非惯性参照系和弯曲空间，从而建立了新的引力理论。关键词：经典力学 相对论力学 爱伊斯坦一、经典力学的建立及其局限性人类从愚昧走向文明，走向科学，认识自我，物理学在这其中起到了绝对重要的
2、作用。而物理学的第一次巅峰时刻就是经典力学的建立。1543 年，波兰的哥白尼发表了天体运行论 ，提出了“日心说” ，指出“地心说”是错误的，认识到了地球和其它行星都围绕太阳运动。这一伟大思想改变了当时人类的对宇宙的认识，也动摇了欧洲中世纪的科学基础，揭开了近代自然科学革命的序幕。17 世纪，意大利人伽利略以系统的实验和观察、科学思维结合数学的方法，开创了更具严密逻辑的近代科学，并发明了惯性定律、自由落体定律及伽利略相对性原理，为牛顿经典力学奠定了基础。随后，法国人笛卡儿又进一步完整了惯性定律。德国的开普勒提出了行星运动三定律，进一步完善、简化了哥白尼学说，推动了对天体动力学的研究。1687 年
3、，牛顿系统地总结了前人的成果，出版了力学经典著作自然哲学的数学原理 ，提出了牛顿力学三定律和万有引力定律，建立起一个完整的经典力学体系，实现了物理学史上第一次大飞跃，物理学从此成为一门成熟的自然科学。经典力学以严格的数学方法和逻辑体系统一了宇宙间的运动，实现了人类对自然界认识的第一次理论大综合。经典力学又经历了 17、18 、19 世纪的进一步完善。在逻辑上和形式上都进一步优美，日臻完善。到了 19 世纪，在经典力学的基础上，光学、热力学、电磁学、天体物理学取得了前所未有的成就。当时，人们把以牛顿力学为代表的经典物理学看成是绝对权威的真理，认为一切现象都可以用经典物理学加以说明，而且物理学已经
4、发展到了完整、系统和成熟的阶段，以后的工作只不过是在细节上做些修正和补充，使理论更加完备。经典力学有两个基本假定：其一是假定时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关，物质间相互作用的传递是瞬时到达的；其二是一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定。但是 20 世纪以来，由于物理学的发展，经典力学的局限性暴露出来。在高速运动或极大质量物体之间，经典力学就 “ 心有余而力不足”了。二、狭义相对论的建立19 世纪末，著名科学家开尔文说过，现在物理学上空飘着两朵乌云，一朵是“黑体辐射” ，另一朵是“迈克尔逊莫雷实验” 。其中，第一朵乌云的散去，诞生了量子理论；而另一朵的消失，
5、则孕育了跨时代的狭义相对论。19 世纪，英国的麦克斯韦在系统地总结了前人电磁学理论的基础上，提出了麦克斯韦方程组，建立了完整的电磁场理论体系，电磁学达到了顶峰。麦克斯韦方程组揭示了光速是一个常数。1887 年，迈克尔逊和莫雷作了一个实验，用以测量光速和证明以太的存在，实验结果表明：不存在以太，光速不受地球运动影响，是一个常量。这使得经典力学的预言失败，有力地证明了麦克斯韦的电磁学理论。这一切，使物理学陷入了混乱之中。1905 年，一位来自瑞士伯尔尼专利局的 26 岁的年青人阿尔伯特爱因斯坦，在德国莱比锡物理学年鉴中发表了 5 篇划时代的物理论文，创造了一个 “奇迹年” 。其中的关于光的产生和转
6、化的一个启发性观点提出了光量子，提出了光电效应；热分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动揭破了布朗运动之谜，证明了分子与原子的存在；论动体的电动力学提出了狭义相对论；物体的惯性同它所包含的能量有关吗？揭示了质能关系。狭义相对论从两条基本原理出发，建立了完整的理论体系。第一是相对性原理。在两个相交做匀速直线运动的参照系中，一切物理定律都是相同的。爱因斯坦引入了洛伦兹变换，从而使电磁学在变换中保持不变，但是发现长度、时间和质量都随运动速度变化。而当 VC 时，l l O,tt O,mm O,也就可以还原为经典力学。可见，经典力学是狭义相对论的近似，是低速情况下物体运动的适用理论，而在高速（特别是
7、接近光速）的情况下，其就不再适用，取而代之的是狭义相对论。第二是光速不变原理。在任意一个惯性系中，光速都为 c，这就引出了关于同时性的相对性。由于光速是有限的，光从 A 地传播到 B 地需要一定时间，因此，在一个参考系中是同时发生的两件事件，在另一个参考系看来就不再是同时的了。每个参考系都有自己的时间，这改变了千百年来人们头脑中的时间观念。三、经典力学与相对论的内在联系经典力学是狭义相对论在低速（vc）条件下的近似。在狭义相对论的所有公式中，只要令 vc，在数学上稍作变换，就会发现，它们将全部退化为牛顿的经典力学公式。而广义相对论，则是在狭义相对论的基础上加入了引力的概念，是讨论时间、空间、引力三者的相互关系的理论，更为复杂。但同样，他也并不是完全推翻了经典力学，经典力学仍然是特定条件下的近似理论。纵观人类科学发展史，任何一种理论，只要它能符合严密的逻辑，并且能合理地解释已发现的实验现象，还能够成功地预言尚未发现的现象并最终被实验所证实。那么，这个理论就不可能是完全错误的。但是它也绝不可能是完美的。因为它永远只是自然界的客观规律在某些特定条件、特定适用范围内的近似形式。也正因此，自然界是可以被认识的，但认识是永无止境的。
