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1、近代物理学进展作业狭义相对论和广义相对论班级学号姓名日期：2015-4-24狭义相对论和广义相对论摘要：相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论和广义相对的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。它发展了牛顿力学，推动物理学发展
2、到一个新的高度。十九世纪八十年代,经典物理学建立了完整的理论,包括牛顿运动定律和万有引力定律的经典力学,以麦克斯韦方程为基础的电磁场理论,热学方面则有以热力学三定律为基础的宏观理论与以分子运动论和统计物理学所描述的微观理论.物理学在十九世纪所取得的这一系列辉煌成就,经典物理在各条战线上的胜利,使当时许多物理学家认为:物理学理论的大厦已经建成,今后的工作只能是扩大这些理论的应用范围和提高实验的精确度,也就是作一些修饰和填补细节的工。1900年新春之际，著名物理学家开尔文勋爵在送别旧世纪所作的讲演中讲道：“19世纪已将物理学大厦全部建成，今后物理学家的任务就是修饰、完美这座大厦了。”同时他也提到物
3、理学的天空也飘浮着两朵小小的，令人不安的乌云，一朵为以太漂移实验的否定结果，另一朵为黑体辐射的紫外灾难。实际上“乌云”不止这两朵，还包括气体比热中能量均分定律的失败、光电效应实验、原子线光谱等。然而，就是这几朵乌云带来了一场震撼整个物理学界的革命风暴，导致了现代物理学的诞生。十九世纪后期，科学家相信他们对宇宙的完整描述已经接近尾声。 他们想象一种叫“以太”的连续介质充满了宇宙空间，就像空气中的 声波一样，光线和电磁信号是“以太”中的波。然而1887年迈克尔逊和莫雷在德国做的用迈克尔逊干涉仪测量两垂直光的光速差值的实验结果证明光速在不同惯性系和不同方向上都是相同的，由此否认了以太（绝对静止参考系
4、）的存在。爱尔兰物理学家乔治费兹哥立德和荷兰物理学家亨卓克洛仑兹，最早认为相对于“以太”运动的物体在运动方向的尺寸会收缩， 而相对于“以太”运动的时钟会变慢。而对“以太”，费兹哥立德和洛仑兹当时都认为是一种真实存在的物质。而没突破当时的思维误区。这时候阿尔波 特爱因斯坦在瑞士首都伯尔尼的瑞士专利局工作，插手“以太”说，并一次性永远地解决了光传播速度的问题。在1905年的文章中，爱因斯坦指出，由于你无法探测出你是否相 对于“以太”的运动，因此，关于“以太”的整个概念是多余的。相反，爱因斯坦认为科学定律对所有自由运动的观察者都应有相同的形式，无论观察者是如何运动的，他们都应该测量到同样的光速。爱因
5、斯坦的这个思想，要求人们放弃所有时钟测量到的那个普适的时间概念，结果是，每个人都有他自己的时间值：如果两个人是相 对静止的，那么，他们的时间就是一致的；如果他们间存在相互的运动，他们观察到的时间就是不同的。爱因斯坦摒弃了19世纪自然科学的两个绝对化观念：“以太”所隐含的绝对静止和所有时钟所测量得到的绝对或普适时间。经过五个星期的努力工作，1905年6月30日，德国物理学年鉴接受了爱因斯坦的论文论动体的电动力学，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破
6、口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给运动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章关于相对性原理和由此得出的结论，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法：在一个封闭箱中的观察者，不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中，还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中，这是解释等效原理最常用的说法，而惯性质
7、量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。下面笔者简单介绍一下狭义相对论，由于知识所限（经管学院无大学物理课程），可能不全面：一狭义相对论的两个基本假设:1物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式(爱因斯坦相对性原理)。2在所有的惯性系中，光在真空中的传播速度中具有相同的值c（光速不变原理）。二狭义相对论的时空观牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的三维空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”
8、的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换。三狭义相对论力学1基本原理（如上一）2洛仑兹坐标变换3速度变换4尺缩效应5钟慢效应6光的多普勒效应7动量8相对论力学方程9质能方程10能量动量关系四实验证据迈克尔逊-莫雷实验爱因斯坦在1905年发表了一篇探讨光线在狭义相对论中，重力和加速度对其影响的论文，广义相对论的雏型就此开始形成。1912年，爱因斯坦发表了另外一篇论文，探讨如何将重力场用几何的语言来描述。至此，广义相对论的运动学出现了。到了1915年， 爱因斯坦引力场方程发表了出来，整个广义相对论的动力学才终于完成。1915年后，广
9、义相对论的发展多集中在解开场方程式上，解答的物理解释以及寻求可能的实验与观测也占了很大的一部份。但因为场方程式是一个非线性偏微分方程，很难得出解来，所以在电脑开始应用在科学上之前，也只有少数的解被解出来而已。其中最著名的有三个解：史瓦西解（the Schwarzschild solution （1916）、 雷斯勒诺斯特朗姆解、克尔解。广义相对论基本原理：1、广义相对论原理，即自然定律在任何参考系中都可以表示为相同数学形式。2、等价原理，即在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效。按照上述原理，万有引力的产生是由于物质的存在和一定的分布状况使时间空间性质变得不均匀（所谓时空
10、弯曲）；并由此建立了引力场理论；而狭义相对论则是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况。在广义相对论的实验验证上，有著名的三大验证：水星近日点的进动、1919年5月19日的日全食进行观测的结果、引力红移。爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。广义相对论还预言了引力波的存在，引力波已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像激光干涉引力波天文台的引力波观测计划的目标。此外，广义相对论还是现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。相对论后来成为现代物理两大支柱之一。参考文献1. 史蒂芬霍金.相对论简史M.2. 阿尔伯特爱因斯坦 著，易洪波 李智谋 译. 相对论（一部开启现代科学与哲学思维模式的书）M.江苏：江苏人民出版社，2011.3.百度百科(相对论，迈克尔逊-莫雷实验，狭义相对论).
