4.3 狭义相对论的时空观
4.3.1 同时的相对性
光速相对于所有惯性系中的观测者以不变的速率传播，其惊人的结果是:时间一定是相对的。
1 “同时”的定义
设A 、B 两处发生两个事件，在事件发生的同时，发出两光信号，若在A 、B 的中心点同时收到两光信号，则A 、B 两事件是同时发生的。这就是用光前进的路程来测量时间，而这样定义的理由就是光速不变，这样的定义适用于一切惯性系。 2 爱因斯坦理想的 “火车对钟实验”
设有一列火车相对于站台以匀速向右运动，站台上的观测者测得当列车的首尾两点与站台上的A ，B 两点重合时，站台上的A ，B 两点同时发出一个闪光，所谓“同时”，就是两闪光同时传到站台上的中心点C 。但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点先接到来自车头方（即站台上的A 点）的闪光，后接到来自车尾方（即站台的B 点）的闪光。于是对于列车上中点的观察者来说，A 点的闪光早于B 点。就是说，对于站台参照系是同时的事件，对于列车参照系就不是同时的，即事件的同时性是相对的。
在一个惯性系中的两个同时事件，在另一个惯性系中观测不是同时的，这是时空均匀性和光速不变原理的一个直接结果。 3 同时的相对性
设在惯性系S 中,在不同地点同时发生两事件,时空坐标分别为（x 1，0，0 ，t ）和（x 2，0，0，t ），则根据洛仑兹变换式（4-4a ），有
2221'11c u c ux t t --
=, 2222'21c u c ux t t --=，即()012
2122
'1'2≠---=
-c
u x x c u
t t 讨论 1 从上可知，在某一惯性系同时不同地发生的两个事件，在另一惯性系中观测则是不同时发生, 这就是狭义相对论的同时相对性。同时相对性的本质在于在狭义相对论中时间和空间是相互关联的。若u 沿x 轴正方向，且12x x ->0,则0'
1'
2<-t t ,可得出结论，沿
两个惯性系相对运动方向发生的两个事件,在其中一个惯性系中表现为同时的,在另一惯性系中观察,则总是在前一惯性系运动的后方那一事件先发生。
2 如果两个事件在S 系同一地点同时发生，12x x =，12t t =则
()0122122'1'2=---
=
-c u x x c u
t t ，()01)(2
21212'1'2=----=-c
u t t u x x x x 。
这说明在某一惯性系同一地点同时发生的两事件，在其它惯性系中进行测量，这两个事件仍是同时同地发生。
4.3.2 长度的相对性
一根细棒AB 静止于S '系中，并沿着Ox 轴放置，如图4-3所示。设在S '系中棒AB 两端点的坐标为x ′1、x ′2，则在S '系中测得该棒的长度为l 0= x ′2- x ′1，棒静止
时被测得的长度称为棒的固有长度，0l 即为棒的固有
长度。在S 系中测量棒AB 的长度，需同时测量棒AB 两端点的坐标为x 1、x 2，根据洛仑兹变换式（4-4a ），可得
2
2
11'11c u
ut x x --=
，2
2
22'
21c u ut x x --=
注意到21t t =
得
21l x x l =-= （4-7）
这表明，在S 系中的观察者看来，运动的物体在运动方向上的长度缩短了，这就是狭义相对论的长度收缩效应。
讨论 1 固有长度最长。
2 长度收缩效应纯粹是一种相对论效应；只发生在运动方向上；是相对的。即假设有两根完全一样的细棒,分别放在S 系和S '系,则S 系中的观测者说放在S '系中的棒缩短了,而S '系中的观测者认为自己这根棒长度没有变,而是S 系中的棒缩短了。原因在于物体的运动状态是个相对量。
图4-3 长度收缩效应 S
S ′
3 长度收缩效应是测量出来的。在相对论时空观中，测量效应和眼睛看到的效应是不同的。人们用眼睛看物体时，看到的是由物体上各点发出的同时到达视网膜的那些光信号所形成的图像。当物体高速运动时，由于光速有限，同时到达视网膜的光信号是由物体上各点不同时刻发出的，物体上远端发出光信号的时刻比近端发出光信号的时刻要早一些。因此人们眼睛看到的物体形状一般是发生了光学畸变的图像。
4 当c u <<式（4-7）变成0l l =，这就回到了经典力学的绝对空间观。
问题 4-5 在推导式（4-7）时，我们假定棒是静止在S '系中的，如果假定棒是静止在S 系中的，且固有长度仍用0l 表示，在S '系中测得棒的长度为l ，再推导式（4-7）。
问题4-6 长度的量度和同时性有什么关系？为什么长度的量度会和参考系有关？长度收缩效应是否因为棒的长度受到了实际的压缩？
例4-3长度0l =1 m 的米尺静止于S '系中，与x ′
轴的夹角'θ= 30°，S '系相对S 系沿x 轴运动，在S
系中观测者测得米尺与x 轴夹角为=θ
45?． 试求：
(1)
S '系和S 系的相对运动速度.
(2) S 系中测得的米尺长度．
解: (1)米尺相对S '静止，它在y x '',轴上的投影分别为：
m 866.0cos 0='='θL L x ，m 5.0sin 0='='θL L y
米尺相对S 沿x 方向运动，设速度为v ，对S 系中的观察者测得米尺在x 方向收缩，而y 方向的长度不
变，即
y y x x L L c
v L L '=-'=,122
故 2
2
1tan c v
L L L L L L x
y x
y x
y -''=
'=
=
θ
把ο45=θ
及y x L L '',代入
则得
866.05
.0122=
-c
v 故 c v
816.0=
(2)在S 系中测得米尺长度为m 707.045sin =?
=
y L L
4.3.3 时间间隔的相对性
设静止在S '系中的观察者记录到发生在S '系中某固定点x ′一个事件持续时间，用固定在S '系中的时钟来测量，例如一个火炬燃烧的时间：τ0= t ′2- t ′1，这种在某一惯性系中同一地点先后发生的两个事件之间的时间间隔叫固有时，0τ就是固有时。在S 系中，这两事件的时空坐标分别是(x 1,t 1)，(x 2,t 2)，显然x 1≠x 2，t 1和t 2是S 系中两个同步时钟（两校准的钟）上的读数。根据洛仑兹变换式（4-4a ）可得
22'2'111c u x c u t t -+
=
, 2
2'2'
22
1c
u x c u t t -+=
两式相减，得
21t t τ=-=
（4-8）
式（4-8）表明,
τ＞0τ，表示时间膨胀了，或在S ′系发生在同一地点的两个事件，
在S 系中测得两事件的时间间隔比S ′系测得的时间间隔（即固有时）要长。换句话说，S 系中的观测者发现S ′系中的钟（即运动的钟）变慢了。这就是时间延缓效应，也称时间膨胀。这种效应是相对的。
讨论 1 在不同惯性系中测量一个过程从发生到结束的时间间隔，固有时最短。 2 当c u <<，式（4-8）变为,0ττ=这就回到了经典力学的绝对时间观。
综上所述，狭义相对论指出了时间和空间的量度与参考系的选择有关。时间与空间是相互联系的，并与物质有着不可分割的联系。不存在孤立的时间，也不存在孤立的空间。时间、空间与运动三者之间的紧密联系，深刻反映了时空的性质。
问题4-7 什么叫固有时？为什么固有时最短？
问题4-8 有一枚相对于地球以接近于光速飞行的宇宙火箭，在地球上的观察者将测得火箭上的物体长度缩短，过程的时间延长，有人因此得出结论说：火箭上观察者将测得地球上的物体比火箭上同类物体更
长，而同一过程的时间缩短。这个结论对吗？
问题4-9 狭义相对论的时间和空间概念与牛顿力学的时间和空间概念有何不同？有何联系？ 例4-4 半人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球164.310m s =?。设有一宇宙飞船自地球往返于半人马座α星之间。若宇宙飞船的速率是c 999.0=υ，（1）若按地球上时钟计算，飞船往返一次需多少时间？（2） 若以飞船上时钟计算，往返一次又为多少时间？
解 （1） 由于题中恒星与地球的距离和宇宙飞船的速度均是地球上观察者所测量的，故飞船往返一次，地球时钟所测时间间隔
82 2.8710s 9.1s
τυ
=
=?≈年
（2） 把飞船离开地球和回到地球视为两个事件，显然飞船上的时钟所测得的时间间隔是固有时，所以以飞船上的时钟计算
70 1.2810s 0.407τ=?≈年
4.3.4 因果关系
在相对论中,一个空时点(),,,x y z t 表示一个事件,不同的事件空时点不相同。两个存在因果关系的事件，必定原因（设时刻1t ）在先，结果（设时刻2t ）在后，即210t t t ?=->。那么是否对所有的惯性系都如此呢？结论是肯定的。所谓的,A B 两个事件有因果关系，就是说B 事件是A 事件引起的。例如，在某处的枪中发出子弹算作A 事件，在另一处的靶上被此子弹击穿一个洞算作B 事件，这B 事件当然是A 事件引起的。又例如在地面上某处雷达站发出一雷达波算作A 事件，在某人造地球卫星上接收到此雷达波算作B 事件，这B 事件也是A 事件引起的。一般地说，两个有因果关系的事件必须通过某种物质或信息相联系，例如上面例子中的子弹或无线电波。这种“信号”在时间21t t t ?=-内从1x 传到2x ，因而传递的速度为 21
21
x x t t υ-=
- 这个速度称为“信号速度”。由于信号实际上是某种物质或信息，因而信号速度总不能大于光速。当在其他惯性系中观测，由洛仑兹变换有
212212
12
21()1u
x x x x u t t c t t -??
-''-==-?-?
21u c υ?=
-?? 由于,u c c υ<≤，所以2u c υ总小于1。这样()2
1t t ''-总与()21t t -同号。这就是说，时序不会颠倒，即因果关系不会颠倒。
如果是两个没有因果关系的事件，则可以有
21
21
x x c t t ->- ，因为其并不是某种物质或信
息传递的速度。在另一个惯性系中观测，时序可以颠倒。本来就是无因果关系的事件，不存在因果关系颠倒的问题。
问题4-10 地面上的射击运动员，在1t 时刻扣动扳机射击一粒子弹，2t 时刻()12t t >子弹击中靶子，那
么在相对地球以速度u 运动的宇宙飞船上的观测者看来，是否仍有'1'2t t >，会不会反过来，'1'
2t t <，即子弹
先击中靶子，而后才出膛？
4.4 狭义相对论动力学基础
经典力学中的物理定律在洛仑兹变换下不再保持不变，因此，一系列的物理学概念，如动量、质量、能量等必须在相对论中重新定义，使相对论力学中的力学定律具有对洛仑兹变换的不变性，同时当物体的运动的速度远小于光速时，它们必须还原为经典力学的形式。
4.4.1 动量、质量与速度的关系
在相对论中定义一个质点的动量p
为 p mu =
其中速度为u 、质点质量为m ，不过动量在数量上不一定与u
成线性的正比关系，因为m 不再是常数，可以假定m 是速度u 的函数。由于空间各向同性，m 只与速度u
的大小有关，而与方向无关，即
()m m u =
下面考察两个全同粒子的完全非弹性碰撞过程.如图4-4所示，A 、B 两个全同粒子正碰后结合成为一个复合粒子。从S 和S ′两个惯性系来讨论：在S 系中粒子B 静止，粒子A 的速度为u
，它们的质量分别为0B m m =，这里0m 是静止质量，()A m m u =，()m u 称为运
动质量。在S ′系中粒子A 静止，粒子B 的速度为-u
，它们的质量分别为0A m m =，
图4-4 两个全同粒子的完全非弹性碰撞
()B m m u =，显然，S ′系相对于S 的速率为u 。设碰撞后复合粒子在S 的速率为为υ，质
量为()M v ；在S ′的速率为为υ'，由对称性可知υ'=-υ，故复合粒子的质量仍为()M v ；根据守恒定律，有
质量守恒 ()()0m u m M v += 动量守恒 ()()m u u M v v =
由此两式消去()M v ，解得 （4-9）
另一方面，由速度变换式有
解得
代入式（4-9），则有
（4-10）
即在狭义相对论中，质量m 是与质点的速率u 有关的，称为相对论性质量，而m 0则是质点相对惯性系静止时的质量，称为静质量。式（4-10）称为相对论质速关系。
01()m u
m u +
=
v '2
1u
u c
-=-=
-v v v v
222
11()2()()0u u u u u
c c
∴-=--+=v v v v 1u =±v 1u u <= v v ()m u =
则动量的表达式为：
p =
（4-11）
从式（4-10）与（4-11）可知，当质点的速度远小于光速，即u c <<，相对论性动量0p m u
≈
与牛顿力学动量表达式相同,相对论质量0m m ≈,可以认为质点的质量为一常量。这表明在
u c <<的情况下，牛顿力学仍然是适用的。 4.4.2 质量和能量的关系
在相对论中把力定义为动量对时间的变化率，即
dp F dt
= （4-12）
这里p
是式（4-11）相对论动量。式（4-12）所表示的力学规律，对不同的惯性系，在洛仑
兹变换下是不变的，但是，要说明的是质量和速度u
在不同惯性系中是不同的，所以相对论中力F
在不同惯性系中也是不同的，它们都不是恒量，不同惯性系之间有其相应的变换关系，这一点与经典力学不同。
在相对论中，功能关系仍具有牛顿力学中的形式。设静止质量为m 0的质点，初始静止，在外力作用下，位移d s ，获得速度u
，质点动能的增量等于外力所作的功，即
将式（4-12）代入上式得
又有
则解出
将m ，d u 的关系式代入d E k 式，并化简得到 d d d k E F s F u t
=?=? 2
d d()(d )(d )d d k E mu u m u u m u u u m mu u
=?=?+?=+
()m u =
022
3/22d d (1)
m u u m u c c
=
-微分得22
3/2
20(1)d d u c m
c u m u
-=
2
d d k E c m
=
当u ＝0时，m ＝m 0，动能E k ＝0. 对上式积分得
即 220k E mc m c =- （4-13）
这是狭义相对论中的动能表达式，显然与经典力学中动能表达式不同，但是当u c <<时，有
22
2
2
00k E mc m c m c =-=
22
22
000211122u m c m c m u c ??≈+-= ???
这里忽略高价小量，回到了经典力学中质点的动能表达式。 由式（4-13），可写成
220k mc E m c =+
式中爱因斯坦将20c m 叫做物体的静能,而2
mc 是物体运动时具有的动能和静能之和，称为总能量，k E 是物体的动能。我们分别用E 和0E 表示总能量和静能:
2002,c m E mc E == （4-14）
这就是著名的质能关系式。
讨论 1 质能关系式揭示了质量和能量是不可分割的，质量是物质所含有的能量的量度。
2 由2
mc E =可得 2
mc E ?=? （4-15） 这是质能关系的另一种表达方式。它表明，物体吸收或放出能量时，必然伴随着质量的增加或减少。这一关系式是原子核物理以及原子能利用方面的理论基础。如有些重原子能分裂成两个较轻的核，该过程有质量亏损，同时释放出能量，这一过程称为核裂变。其中典型的是铀原子核
235
92
U 的裂变。23592U 中有235个核子，在热中子的轰击下，235
92U 裂变为2个新的原子核和2个中子，同时释放出能量Q 。再如轻核聚变，由轻核结合在一起形成较大的核，该过程有质量亏损，同时释放出能量。一个典型的轻核聚变是两个氘核（2
1H ，氢的同位素）聚变成氦核（4
2He ），同时释放出能量Q 。值得指出的是，对于所举的两个例子，就单位质量而言，后者释放的能量比前者要大得多。
20
d d k
E m
k m E c m
=?
?
例4-5已知质子和中子的静止质量分别为 amu 为原子质量单位，1amu ＝1.660× kg ，两个质子和两个中子结合成一个 核，实验测得它的静止质量 ＝4.001 50 amu ，计算形成一个氦核放出的能量。
解 两个质子和两个中子的质量为
形成一个氦核质量亏损
能量改变量为
这就是形成一个氦核放出的能量。 若形成1 mol 氦核(4.002 g)时放出的能量为
这相当于燃烧100吨煤时放出的热量。
4.4.3动量与能量的关系
将相对论动量的定义式p mu =
两边平方,得
222
p m u =
再取质能关系式2
=E mc 两边平方,并运算,得
()()()()
2
2
2
2
2
22E mc
mc mu c mu c ==-+
()22
2
4
2422
21u m c p c m c c
p c ??=-+=
+ ???
即 222
02p c E E += （4-15）
这就是相对论性动量和能量的关系式。可以用一个直角三角形的勾股弦形象地表示
这一关系，如图4-5所示。 图4-5 总能量与动能的关系
P
n
M 1.00728amu
M 1.00866amu ==，，2710-42
He
氦A M P n M=2M 2M 4.03188amu
+=A M M M 0.03038amu
?=-=()
2
2
-27
811E=Mc 0.030381.660103100.453910J
-??=????=?112312E 0.453910 6.02210 2.73310J -?=???=?
例4-6 静止的电子经过1000000V 高压加速后，其质量、速率、动量各为多少？ 解 已知电子静质量m 0=9.11×10-31
kg ，因此其静能为
2311614009.11109108.210E m c --==???=?（J ）
静止的电子经过1000000V 电压加速后，其动能为
131000000 1.610k eV E -==?（J ）
由于E k >E 0，因此必须考虑相对论效应。此时电子的质量为
1413
300k 2216
8.210 1.610 2.6910(kg)910
E E E m c c ---+?+?====?? 由相对论的质速关系得
0.94υ= c 可见，电子经高电压加速后，速率与光速相比已经不可忽视。 电子的动量
308222.69100.943107.5910(kg m/s)p m υ--==????=??
例4-7 设有两个静止质量都是0m 的粒子，以大小相等、方向相反的速度碰撞，反应形成一复合粒子。试求这个复合粒子的静止质量0M 和运动速度V 。
解： 设这两个粒子的速率都是υ，由动量守恒和能量守恒定律得
（1）
2
2 （2） 由（1）得 0V =
由（2
）
0M
这表明复合粒子的静止质量0M 大于20m
，两者的差值
0002
222k E M m m c -=
式中k E 为两粒子碰撞前的动能。由此可见，与动能相联系的这部分质量转化为静止质量，从而使碰撞后复合粒子的静止质量增加了。
4.3 狭义相对论的时空观 4.3.1 同时的相对性 光速相对于所有惯性系中的观测者以不变的速率传播，其惊人的结果是:时间一定是相对的。 1 “同时”的定义 设A 、B 两处发生两个事件，在事件发生的同时，发出两光信号，若在A 、B 的中心点同时收到两光信号，则A 、B 两事件是同时发生的。这就是用光前进的路程来测量时间，而这样定义的理由就是光速不变，这样的定义适用于一切惯性系。 2 爱因斯坦理想的 “火车对钟实验” 设有一列火车相对于站台以匀速向右运动，站台上的观测者测得当列车的首尾两点与站台上的A ，B 两点重合时，站台上的A ，B 两点同时发出一个闪光，所谓“同时”，就是两闪光同时传到站台上的中心点C 。但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点先接到来自车头方（即站台上的A 点）的闪光，后接到来自车尾方（即站台的B 点）的闪光。于是对于列车上中点的观察者来说，A 点的闪光早于B 点。就是说，对于站台参照系是同时的事件，对于列车参照系就不是同时的，即事件的同时性是相对的。 在一个惯性系中的两个同时事件，在另一个惯性系中观测不是同时的，这是时空均匀性和光速不变原理的一个直接结果。 3 同时的相对性 设在惯性系S 中,在不同地点同时发生两事件,时空坐标分别为（x 1，0，0 ，t ）和（x 2，0，0，t ），则根据洛仑兹变换式（4-4a ），有 2221'11c u c ux t t -- =, 2222'21c u c ux t t --=，即()012 2122 '1'2≠---=-c u x x c u t t 讨论 1 从上可知，在某一惯性系同时不同地发生的两个事件，在另一惯性系中观测则是不同时发生, 这就是狭义相对论的同时相对性。同时相对性的本质在于在狭义相对论中时间和空间是相互关联的。若u 沿x 轴正方向，且12x x ->0,则0' 1' 2<-t t ,可得出结论，沿
第七章第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性 【学习目标】 1．感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。 2．知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。 3．了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。 【课前预习】 一、相对论时空观 1．爱因斯坦两个假设： (1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是_________的; (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_________的。 2．时间延缓效应：如果相当于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt， 则Δt=____________。由于1?(v c )2<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 3．长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人 测得杆长是l，则l=_________。由于1?(v c )2<1，所以总有l 习 题 4-1 一辆高速车以0.8c 的速率运动。地上有一系列的同步钟,当经过地面上的一台钟时,驾驶员注意到它的指针在0=t ,她即刻把自己的钟拨到0'=t 。行驶了一段距离后,她自己的钟指到6 us 时,驾驶员瞧地面上另一台钟。问这个钟的读数就是多少？ 【解】s)(10) /8.0(16/12 2 2 0μ=-μ= -?= ?c c s c u t t 所以地面上第二个钟的读数为 )(10's t t t μ=?+= 4-2 在某惯性参考系S 中,两事件发生在同一地点而时间间隔为4 s,另一惯性参考系S′ 以速度c u 6.0=相对于S 系运动,问在S′ 系中测得的两个事件的时间间隔与空间间隔各就是多少？ 【解】已知原时(s)4=?t ,则测时 (s)56 .014/1'2 2 2 =-= -?= ?s c u t t 由洛伦兹坐标变换2 2 /1'c u ut x x --= ,得: )(100.9/1/1/1'''82 22 2202 21012m c u t u c u ut x c u ut x x x x ?=-?= --- --= -=? 4-3 S 系中测得两个事件的时空坐标就是x 1=6×104 m,y 1=z 1=0,t 1=2×10-4 s 与x 2=12×104 m,y 2=z 2=0,t 2=1×10-4 s 。如果S′ 系测得这两个事件同时发生,则S′ 系相对于S 系的速度u 就是多少？S′ 系测得这两个事件的空间间隔就是多少？ 【解】(m)1064 ?=?x ,0=?=?z y ,(s)1014 -?-=?t ,0'=?t 0)('2=?- ?γ=?c x u t t 2c x u t ?=?? (m/s)105.182?-=??=?x t c u (m )102.5)('4?=?-?γ=?t u x x 4-4 一列车与山底隧道静止时等长。列车高速穿过隧道时,山顶上一观察者瞧到当列车完全进入隧道时,在隧道的进口与出口处同时发生了雷击,但并未击中列车。试按相对论理论定性分析列车上的旅客应观察到什么现象？这现象就是如何发生的？ 【解】S 系(山顶观察者)瞧雷击同时发生,但车厢长度短于山洞长度,故未被击中。 'S 系(列车观察者)瞧雷击不同时发生。虽然车厢长度长于山洞长度,但出洞处先遭 雷击,入洞处后遭雷击,此时车尾已经进入山洞。故未被击中。 4-5 一飞船以0.99c 的速率平行于地面飞行,宇航员测得此飞船的长度为400 m 。(1)地面上的观察者测得飞船长度就是多少？(2)为了测得飞船的长度,地面上需要有两位观察者携带着两只同步钟同时站在飞船首尾两端处。那么这两位观察者相距多远？(3)宇航员测得两位观察者相距多远？ 【解】(1))(4.5699.01400/12 2 2 0m c u l l =-=-= (2)这两位观察者需同时测量飞船首尾的坐标,相减得到飞船长度,所以两位观察者相距就是56.4 m 。 (3)上的两位观察者相距56.4 m,这一距离在地面参考系中就是原长,宇航员瞧地面就是运动的,她测得地面上两位观察者相距为 )(96.799.014.56/12220m c u l l =-=-= 所以宇航员测得两位观察者相距7.96 m 。 4-6 一艘飞船原长为l 0,以速度v 相对于地面作匀速直线飞行。飞船内一小球从尾部运 比较相对论时空观和牛顿经典时空观，浅谈科学发展中的肯 定与否定 “天地万物之逆旅，光阴者百代之过客”，人类生存于天地之间，漫步于时间长河，对于时间与空间的思考萦绕于一代又一代人的心头。随着人类文明的发展，人们对时空观的认识也在不断变化，在这其中相对论时空观和牛顿经典时空观是公认的科学史上有很大影响力的时空观，下面我就对这二者进行比较，谈一谈人类科学发展中的“肯定”与“否定”。 首先，从理论基础来看这两个时空观。这两个时空观是建立在不同的理论基础之上的。牛顿的经典时空观是以经典力学为基础建立起来的，爱因斯坦提出的相对论时空观是以光速c不变为理论基础。 其次，从内容来看这两个时空观。由于二者理论基础的不同，这也就决定了这两个时空观内容的截然不同。这就像种下两个种类不同的种子，那最后长出来的东西肯定是不同的。这两个时空观对时间和空间与物质的关系看法不同。牛顿经典时空观是绝对时空观，认为时间和空间与物质及其运动无关，时间坐标系和空间坐标系是完全脱离物质而独立存在的，时间间隔和空间间隔在不同的惯性系中保持不变，即时间空间观念与物质运动状态无关。而相对论时空观认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物体的运动状态有关。这两个时空观对时间与空间的关系看法也不同。牛顿经典时空观认为时间和空间彼此无关，独立各自。而相对论时空观则恰恰相反，它认为两个时间在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也会是相 对的，时间和空间不是互相独立的而是彼此不可分解的整体，只有空间和时间联系在一起才有意义，光速c是建立不同惯性系间的时间和空间变换的纽带。 毋庸置疑，事实是唯一的，然而这两个时空观却给出了迥然不同的答案。我们是不是能够肯定一方而否认另一方呢？我认为不能。虽然相对论时空观得到了大多数人的认可，但我们不能否定牛顿经典时空观。它为科学的发展做出了重要的贡献。自十七世纪，牛顿力学不断发展并取得巨大成就，以牛顿力学为基础建立了天体力学和应用力学等等。从地面上的各种物体运动到各种现代化交通工具以及天体的运动，都服从牛顿力学规律，这充分说明了牛顿力学规律的正确性。值得指出的是，牛顿的力学为十八世纪的工业革命及其之后的机器生产准备了科学理论。马克思曾经认为，在十八世纪臻于完善的力学是“大工业的真正科学的基础。”毫无疑问，当时这个“科学的基础”的最主要而且也是最重要的部分是牛顿的力学。牛顿的经典力学体系和他的方法论使物理学在十八、十九世纪期间得以迅速发展，并成为那时理论物理学的纲领或规范。迄至今日，人们关于自然过程的物理认识都可以看作是牛顿思想的一种系统的发展。到十九世纪末，牛顿经典力学在解释新实验事实时遇到了困难。相对论的提出成功的解决了这一问题，揭露了时间和空间某种普遍而新颖的联系，引起了人类时空观的变革，为现代科学技术的发展奠定了牢固的基础。这两个时空观各有其各自的价值，没有谁对谁错，我们不能单纯的肯定与否定。这看似不符合逻辑，但在很多时候我们是不能简单的肯定或否定的， 3狭义相对论 3.1狭义相对论基本假设 1. 有下列几种说法： (1) 所有惯性系对物理基本规律都是等价的． (2) 在真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关． (3)在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速率都相同． 若问其中哪些说法是正确的, 答案是 (A) 只有(1)、(2)是正确的． (B) 只有(1)、(3)是正确的． (C) 只有(2)、(3)是正确的． (D) 三种说法都是正确的． 答案：(D) 参考解答： 光速不变原理和相对性原理是爱因斯坦在创立狭义相对论时提出的两大基本假设。光速不变原理：在真空中的任何惯性参考系上，光沿任意方向的传播速度都是C；相对性原理：所有物理规律在所有不同惯性参考系中的形式都相同。 所有选择，均给出参考解答，进入下一题。 3.2狭义相对论时空观 1. 在狭义相对论中，下列说法中哪些是正确的？ (1) 一切运动物体相对于观察者的速度都不能大于真空中的光速． (2) 质量、长度、时间的测量结果都是随物体与观察者的相对运动状态而改变的． (3) 在一惯性系中发生于同一时刻，不同地点的两个事件在其他一切惯性系中也是同时发生的． (4)惯性系中的观察者观察一个与他作匀速相对运动的时钟时，会看到这时钟比与他相对静止的相同的时钟走得慢些． (A) (1)，(3)，(4)．(B) (1)，(2)，(4)． (C) (1)，(2)，(3)．(D) (2)，(3)，(4)． 答案：(B) 参考解答： 在狭义相对论中，根据洛仑兹变换物体运动速度有上限，即不能大于真空中的光速；质量、长度、时间都是相对的，其测量结果取决于物体与观察者的相对运动状态，有动尺收缩和运钟膨胀的相对论效应。 对于所有选择，均给出以下思考题。 1.1相对论的时间和空间概念与牛顿力学的有何不同？有何联系？ 参考解答： 牛顿力学时空观的基本观点是，长度和时间的测量与运动（或说与参考系）无关；而相对论时空观的基本观点是，长度和时间的测量不仅与运动有关，还与物质分布有关。 牛顿力学时空概念是相对论时空观在低速（即运动速度远远小于光速）时的 狭义相对论的时空观 摘要：相对论是近代物理学的两大理论支柱之一，是我们进入大学以来，第一次接触牛顿经典力学以外的新的理论体系。而狭义相对论中的时空观给了我们极大的震撼，让我们明白了牛顿时空观虽然承认时间和空间的客观性但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的，在麦克斯韦方程建立以及明确了光速的恒定性和最大性后这种把时间和空间看做作是脱离物质运动而独立存在的观点显然不再正确。本文阐述了在狭义相对论下的时空观。通过分析牛顿时空观的不足之处来说明狭义相对论下时空观存在的道理，并最终阐释狭义相对论的本质即其本质是在牛顿的三维绝对空间上再加一维时间。通过本文的论述，有利于理解狭义相对论神奇而平凡的一面。 关键词：相对论光速不变洛伦兹变换式 牛顿在他的《原理》一书中写道：“绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事物的，它永远是相同的，不变的。绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动的，不依赖于任何外界事物。” 牛顿绝对时空观承认时间和空间的客观性，但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的。这在当时引起了一些科学家和哲学家的思考和怀疑。在十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后，绝对时空观更面临着严峻的局面。按麦氏方程中存在的常数c，表明电磁波或光在真空中沿各个方向均以不变的速度c传播，这与伽利略相对性原理发生了矛盾。因为据绝对时空观的经典速度合成定理，在不同惯性系中，光的传播速度不应在各个方向均相同。似乎只有在某一特殊参考系中，麦氏方程才取标准形式，光才在各个方向上均以c传播。人们曾引入“以太”假设，认为“以太”充满宇宙空间并绝对静止，光是“以太”介质中的波动。相应于“以太”的惯性系就是那个特殊参考系。然而，尽管人们赋予“以太”各种各样光怪陆离的性质，仍难自圆其说。且反复实验的结果都是否定的，根本发现不了“以太风”。相反却证明了在任何惯性系中光速都是不变的。迈克尔孙和莫雷原本是千方百计地想观察地球的运动对光的传播速度的影响，他们还认为光是一种在被称为“以太”的媒质中运动的波。这样，它的表现就应该像在池塘表面上运动的水波那样。 当时人们还认为，地球也是在穿过这种以太媒质运动的，很像是一艘在水面上运动的小船。在小船上的乘客看来，小船激起的涟漪朝着小船运动方向向前扩展的速度，要比涟漪向后扩展的速度慢一些，因为在前一种情况下要从涟漪原来的速度减去小船的速度，而在后一种情况下却要把两个速度相加起来。我们把这叫做速度相加定理。但是，迈克耳孙和莫雷却发现，地球的运动对光速根本没有任何影响，不管在哪一个方向上，光的速度都是完全相等的。这个奇怪的结果使他们产生了一种想法：也许是非常不巧，在他们进行那个实验的时候， 《大学物理》练习题No.15 狭义相对论时空观及动力学基础班级____________ 学号__________ 姓名_________ 成绩________ 一、选择题 1. 静止参照系S中有一尺子沿x方向放置不动，运动参照系S'沿x轴运动,S、S'的坐标轴平 行.在不同参照系测量尺子的长度时必须注意[ C ] (A) S'与S中的观察者可以不同时地去测量尺子两端的坐标. (B) S'中的观察者可以不同时，但S中的观察者必须同时去测量尺子两端的坐标. (C) S'中的观察者必须同时，但S中的观察者可以不同时去测量尺子两端的坐标. (D) S'与S中的观察者都必须同时去测量尺子两端的坐标. 2. 下列几种说法： (1) 所有惯性系对一切物理规律都是等价的. (2) 真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关. (3) 在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相同. 其中哪些正确的？[ D ] (A) 只有（1）、(2)是正确的. (B) 只有（1）、(3)是正确的. (C) 只有（2）、(3)是正确的. (D) 三种说法都是正确的. 3. 边长为a的正方形薄板静止于惯性系K的xOy平面内，且两边分别与x轴、y轴平行， 今有惯性系K'以0.8c（c为真空中光速）的速度相对于K系沿x轴作匀速直线运动，则从K'系测得薄板的面积为[ B ] (A) a2.(B) 0.6a2.(C) 0.8 a2.(D) a2/ 0.6. 4. 在某地发生两件事，静止位于该地的甲测得时间间隔为6s，若相对甲以4c/5(c表示真空 中光速)的速率作匀速直线运动的乙测得时间间隔为[ A ] (A) 10s.(B) 8s.(C) 6s.(D) 3.6s. (E) 4.8s. 5. (1) 对某观察者来说,发生在某惯性系中同一地点,同一时刻的两个事件,对于相对该惯性系 作匀速直线运动的其它惯性系的观察者来说,它们是否同时发生? (2) 在某惯性系中发生于同一时刻,不同地点的两个事件,它们在其它惯性系中是否同时发 生? 关于上述两问题的正确答案是: [ A ] (A) (1)一定同时, (2)一定不同时. (B) (1)一定不同时, (2)一定同时. (C) (1)一定同时, (2)一定同时. (D)(1)一定不同时,(2)一定不同时. 6.圆柱形均匀棒静止时的密度为ρ0，当它以速率u沿其长度方向运动时，测得它的密度为ρ， 经典时空观与相对论时空观-例题解析 1.着重体会从绝对时空观无法解释光的传播问题出发，进而提出狭义相对论假设的思想方法. 2.相对论的两个假设无法直接加以验证，但是由它导出的一系列结论却都与实验相符，这种“间接证明”的方法是科学研究中的重要方法. 3.要紧抓住“两个假设”，只有深入理解了这两个“假设”的含义，才能理解应用其他各种相对论效应. 4.要重新科学理解“同时”的含义. 5.注意相对论中各种效应都是相互的. 例如，一把尺子相对地面高速运动时，地面上的观察者测量到尺子的长度变短.如果尺子在地面上不动,而观察者相对于地面高速运动，那么观察者测量到的尺子长度和观察者不运动时相比仍然是缩短的. 时钟变慢的效应也有和“尺缩效应”一样的性质. 6.注意“运动的尺子变短”只是在运动方向上变短，其他方向不变. 【例1】 一只完全密封而不透明的船正在静水中匀速航行，船内的人能够感知船在运动吗？能够测量船的航行速度吗？如果船是加速航行呢？ 解析：如果船是真正的匀速航行，船内的人又无法以船外的物体为参考系，则无法感知船在运动，更不可能测量船的速度.这是伽利略相对性原理的要求. 如果船是加速或减速航行，船内的人完全可以利用牛顿定律测量出船的加速度，但依然不能测量出船的瞬时速度. 【例2】 根据相对论理论，一尺子相对参考系静止时长为L 0，当它以速度v 匀速运动时，参考系上的人测量该尺子的长度将变为： L =L 022 1c v -(c 是光在真空中的传播速度) (5－1) 称之为长度收缩公式. 如果一观察者测得运动着的米尺长0.5 m(米尺的静止长度为1 m)，问此尺以多大的速度接近观察者？ 解析：由L =L 022 1c v -得： v =c 20 2 1L L -=c 25.01-=0.87c =2.6×108 m/s. 【例3】 根据相对论理论,如果地球上的时钟走过了时间t ，那么，以速度v 相对地球运动的飞船上的时钟走过的时间t ′则为： t ′=t 22 1c v -(c 是光在真空中的传播速度) (5－2) 通俗地说，就是运动的时钟变慢了. 设想飞船在甲乙两个相距8亿千米的星球间飞行，甲、乙两星球及飞船上各有一个巨大的钟，现飞船相对星球以0.75c (c 是真空中光速)的速度离开甲星球飞向乙星球，飞船经过甲星球时，三个钟均调整指到3：00整.问，当飞船飞过乙星球的瞬间，飞船内的人看到乙星球上的钟和飞船上的钟分别指向多少？ 解析：在乙星球的观察者看来，飞船飞越的时间为： 时空观与相对论时空观 (一)教学目标 1．知识与技能 (1)了解伽利略相对性原理，知道时空观与参考系的联系。 (2)了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因。 (3)了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，知道相对论时空观对人们认识世界的影响。 (4)知道经典时空观与相对论时空观的主要区别。 2．过程与方法 (1)通过关于参考系和运动的“讨论与交流”，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理。 (2)解读并分析教材图5-2-1和图5-2-2，了解绝对时空观与实验事实的矛盾。 (3)通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，学习创立科学理论的基本方法——“提出假设”。 (4)解读并分析教材图5-2-3和图5-2-4，通过“讨论与交流”理解同时的相对性． (5)对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论，认识经典时空观与相对论时空观的区别。 3．情感、态度与价值观 (1)通过“讨论与交流”活动，培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达的能力和合作学习的精神。 (2)通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展和变革，体会相对论对人类认识世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用。 (3)感受科学家客观求实、理性追求、批判创新的精神和富有创造性的想像力，启发学生勇于质疑，富于想象，培养思维的多向性和发散性。 (4)通过了解时空观的变革，使学生认识到自然界是可以被人认识的，科学是认识自然最有效的途径，科学对自然现象有解释和预见的功能，科学知识具有相对的稳定性并不断发展和进步，从过程的意义来看，科学的本质就是探究，是不断地追求真理和不断地修正错误，不断地创新。 （二)本节概述 1．本节特点 4、广义相对论的时空观简析 爱因斯坦曾经讲过：“科学从科学发展前的思想中将空间、时间和物质客体（其中重要的特例是‘固体’）的概念接收过来，加以修正，使之更加确切。人们曾设想，不依赖于主观认识的‘物理实在’是由空时（为一方）以及与空时作相对运动的永远存在的质点（为另一方）所构成（至少在原则上是这样）。这个关于空时独立存在的观点，可以用这种断然的说法来表达：如果物质消失了，空时本身（作为表演物理事件的一种舞台）仍将依然存在”。爱因斯坦的基本的思想，追求自然规律的统一性，他要通过局域对称性来实现物理运动规律的几何化，这个一直是以后理论物理学家追寻的方向。新的时空概念必然改变时空在理论中的地位和作用，普遍的背景作用被消除后，时空就像一切物理客体一样与其他物理客体之间存在相互作用：时空的特性依赖于其他物理客体，同时通过对其他物理客体的作用表现出自身的特性。引力可以用空间几何特征的空间弯曲得到解释和理解；物质间的作用以及物质的产生与我们所处时空的基本特性有关，即我们为什么具有这样的物质结构，是与时空的本性相关的，而我们的时空为什么是这样的，也是由物质世界的结构所决定的。这样一来，经典理论中那些特设性的形而上学的概念就被剔除了，时空的本质与物理客体的作用关联了起来，从而为将时空自身作为需要研究的物理实在提供了条件。时空的地位不再完全凌驾于一切物理对象和作用之上，而是同它们相互融合。物理学的时空概念变成了哲学时空观在物理学中的狭义表现。 Einstein晚年通过《相对论与空间问题》回顾了人类时空观念的变化过程，委婉地指出“关于存在着无限多个作相对运动的空间的观念”，“甚至在现代科学思想中也远未起到重要的作用”。在回顾人类与原始经验相关的时空观念的变化过程时，Einstein有意将法国古典科学家笛卡儿关于一无所有的空间并不存在的见解与自己的相对论作了比较。他强调：“笛卡儿曾大体上按下述方式进行论证：空间与广延性是同一的，但广延性是与物体相联系的；因此，没有物体的空间是不存在的，亦即一无所有的空间是不存在的。”Einstein认为，“广义相对论绕了一个大弯仍旧证实了笛卡儿的概念。”Einstein以箱子为例，说明“我们的空间概念是同箱子联系在一起的”；但若把“箱壁的厚度缩减为零”，“就只剩下了没有箱子的空间”，即无界的空间。这些无界空间之间关系是怎样的呢？“当一个小箱子s在一个大箱子S的全空空间中处于相对静止状态时，s的全空空间就是S的全空空间的一部分，……但是，当s相对于S运动时，这个概念就不那么简单了。人们就要认为s总是包围着同一个空间，但其所包围的S的一部分空间则是可变的。这样就有必要认定每一个箱子各有其特别的、无界的空间，并有必要假定这两个空间彼此作相对运动。……现在必须记得，空间有无限多个，这些空间彼此作相对运动。”看来Einstein对当时的时空问题研究状况（20世纪50年代）不无遗憾，就此他委婉地指出，这一“观念在逻辑上的确是无可避免的，但是这种观念甚至在现代科学思想中也远未起过重要的作用”。霍金在《时间简史》中写道：爱因斯坦完全变革了我们思考空间和时间的方式，“它们不再是事件在其中发生的被动的背景……相反的，它们现在成为动力学的量”【3】。实际上只需要将其中的第一个“它们”改为空间，第二个“它们”改为“用L、T的函数表述的空间中的特殊结构”，就不仅可以正确地阐明广义相对论带来的关于时间-空间观念变革的基本思想，同时还可以将相对论和经典物理学中的时间-空间观念完全统一起来。顺便提一下，诸如“我们必须接受的观念是，时间不能完全脱离和独立于空间，而必须和空间结合在一起形成所谓的空间-时间的客体”【4】，只需要将最后的七个字修改为“L-T客体”，就符合了客观存在的真实情况。广义相对论给出的宇宙描述刚好是因果宇宙的描述，因为相对论的基本课程是：没有东西能够超光速传播。特别地，任何因果效应和信息不能超光速传播。黎曼几何是一个庞大的几何公理体系，专门用于研究弯曲空 第3节 狭义相对论的时空观 一、 时空间隔变换 事件1 事件2 时空间隔 S ：),,,(1111t z y x ),,,(2222t z y x x x x ?=-12，y y y ?=-12 z z z ?=-12，t t t ?=-12 S '：),,,(1111t z y x '''' ),,,(2222t z y x '''' x x x '?='-'12，y y y '?='-'12 z z z '?='-'12，t t t '?='-'12 22111/1c u t u x x -'+'= 2 22 22/1c u t u x x -'+'= 1 1y y '= 22y y '= 11z z '= 22z z '= 221211/1c u x c u t t -'+'= 22222 2/1c u x c u t t -'+'= 时空间隔变换： 22/1c u t u x x -'?+'?=? 2 2/1c u t u x x -?-?='? y y '?=? y y ?='? z z '?=? z z ?='? 222/1c u x c u t t -'?+'?=? 222/1c u x c u t t -?-?='? 例：地面观察者测得地面上 甲已两地相距m 6100.8?一列火车从甲→已历时s 0.2，一飞船相对地面 以匀速c u 6.0=的速度 甲 m 100.8? 已 x 飞行，飞行方向与火车运动方向相同 求：飞船上观察者测得火车从甲→已运行的路程、时间及速度 解：地面：S ，飞船：S '，c u 6.0= 从甲出发：事件1，到达已地：事件2 S ：m x 6100.8?=?，s t 0.2=? 速度：s m t x V /100.40.2100.866 ?=?=??= S '：22/1c u t u x x -?-?='?=m 8 2 86104.46 .010.21036.0100.8?-=-???-? 222/1c u x c u t t -?-?='?=s 48.26.01100.81036.00.226 8 =-???- c s m t x V 59.0/10774.18-≈?-=' ?' ?='0< 第一节经典力学的成就与局限性 (一)教学目标 1．知识与技能 (1)了解经典力学的发展历程，知道经典力学发展历程中有哪些物理学家作出了突出贡献。 (2)了解经典力学所取得的伟大成就及其对当时自然科学、社会发展的影响。 (3)认识经典力学的局限性和适用范围。 2．过程与方法 (1)通过收集对经典力学建立作出重要贡献的物理学家的故事，把科学成果的发现过程展现为历史的过程，即科学家是如何在前人的基础上进行求索的，并将科学家的成果放在特定的历史背景下去评说，从而让学生认识到历史的发展有承接，科学的发展也一样。 (2)通过收集和交流具体实例来分析说明经典力学所取得的伟大成就，培养学生就某一观点或结论收集例证的能力，培养学生获取和评价信息的能力。 (3)通过对比亚里士多德、伽利略、牛顿所采用的科学研究方法，了解科学研究方法不断发展的过程，学习科学实验研究方法的思想。 (4)通过查阅文献或网络资料撰写小论文，更多地了解经典力学的成就、局限性与适用范围，培养学生查阅文献的能力，筛选和组织信息的能力、交流和表述信息的能力。 3．情感、态度与价值观 (1)通过查阅、对比、举例、交流等学习活动，培养学生自主学习的习惯和善于合作的意识；培养学生懂得尊重他人的成果、与他人合作交流的能力与习惯，锻炼学生在讨论与交流活动中敢于发表自己的感想和看法，共同探讨交流与合作学习的途径。 (2)使学生领悟和感受科学研究方法的正确使用对科学发展的重要意义，体会经典力学在人类认识自然以及物理学发展中的重要影响和作用。 (3)感受物理学家充满着艰巨性和创造性的科学探究过程，体会科学家们忘我的献身精神和刻意追求的严谨作风，从而让学生更好地把握科学探究的本质，帮助学生建立起像科学家从事科学探究那样来学习科学的意识，领悟科学探究的真谛。 (4)感受物理学所揭示的自然规律中蕴藏着和谐、有序、简单、统一的科学美，培养学生对科学的审美能力，领悟自然界的内在秩序与和谐，唤起人的真、善、美的自然天性，达到认识和情感的完美统一。 (二)本节特点 经典时空观与相对论时空观 吴绍轩 海洋资源与环境一班 2220133807 【摘要】比较经典时空观与现代时空观的区别，阐述相对论时空观的主要思想。【关键词】时空观、经典时空观、相对论时空观、爱因斯坦、牛顿 一、经典时空观 经典力学认为时间和空间都是绝对的,同一个事件不同状态的人测量情况一样. 经典力学总结了低速物体的运动规律，它反映了牛顿的绝对时空观。绝对时空观认为时间和空间是两个独立的观念，彼此之间没有联系，分别具有绝对性。绝对时空观认为时间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关，同一物体在不同惯性参照系中观察到的运动学量（如坐标、速度）可通过伽利略变换而互相联系。这就是力学相对性原理：一切力学规律在伽利略变换下是不变的。 经典时空理论承认时间和空间的客观存在，牛顿认为时间和空间与物质及其运动无关。时间的坐标系和空间的坐标系是完全脱离物质而独立存在的，时间间隔与空间间隔在不同的惯性系中保持不变，即时间和空间观念与物质运动状态无关且时间和空间彼此无关，各自独立存在。 自十七世纪以来，牛顿力学不断发展并取得了巨大的成就，以牛顿力学为基础建立了天体力学、应用力学等等，从地面上的各种物体的运动，各种现代化交通工具的、及天体的运动，都服从牛顿力学的规律，这些充分说明了牛顿力学规律的正确性。 在十九世纪末，以牛顿力学为基础的经典物理理论，在解释新实验事实时遇到了困难。电磁理论的发展和十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后，绝对时空观面临着严峻的局面。按麦克斯韦方程中存在的常数C[4]，表明电磁波在真空中沿个方向均以不变的速度C传播，这与伽利略相对性原理发生了矛盾。因为根据绝对时空观的经典速度合成定理，在不同惯性系中，光的传播速度不应在各个方向均相等。似乎只有在某一特殊参考系中麦氏方程才取标准形式，光在各个方向上均以C传播。人们曾引入“以太”假设[3]，认为“以太”充满宇宙空间并 绝对静止，光是以“以太”介质中的波动，相应于“以太”的惯性参考系就是那个特殊的参考系。这样，“以太”就充当了“绝对空间”的角色。通过测定物体相对于“以太”的“绝对运动”所引起的“以太风”就可期望找到“以太”。然而，尽管人们赋予“以太”各种各样光怪陆离的性质，仍难自圆其说。且反复实验的结果都是否定的，根本发现不了“以太风”。相反却证明了在任何惯性系中光速都是不变的。1887年的迈克尔孙——莫雷实验可看作否 定“以太”的判决性实验，这使得牛顿绝对时空观遇到了根本性的困难。 从相对论出发浅谈时空观 学号：120909109 姓名：冷丹 摘要：相对论是爱因斯坦二十世纪初的杰作，它的出现表征了时空观的伟大变革。为人类更好认识物质世界做出了卓越的贡献。时空观,就是有关时间和空间的物理性质的认识,时空观同自然科学的发展是密切相关的。科学上的重大变革往往伴随着新时空观的产生,因此可以说时空观的变革是科学上大变革的基本标志。从古代的天圆地方到亚里士多德的宇宙中心论,从亚里士多德的宇宙中心论到牛顿的绝对时空观,从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对论时空观,每一次时空观的变革都伴随着科学的重大变革,都是对传统的巨大挑战。从而产生了新的理论,推动了社会和科学的进步。 关键字：相对论变革时空观 根据爱因斯坦狭义相对论的理论，如果速度不断接近光速，运动的物体将会相对外界而言产生动钟变慢和动尺缩短现象，这个现象已经是被科学证明的现象。根据相对论,速度越快时间就越慢。假如你以99%的光速飞行时，时间延缓得很厉害。在你看来，你的表是正常的。但在地上没有移动的人看来，你的时间变慢了。在你眼里看来，地上的人的时间变快了。当你的速度到达光速时。在地上的人看来你的时间是静止的。在加速，你就超越了光速，发生了所谓的时空逆转，你的表是逆时针转动的，你看到地面上的景象都是已经发生过的历 史。但是，这只是理论。因为光速是一切物体的极限速度，根本无法到达光速，但我们可以无限接近光速。 在现阶段根据科学研究的成果，没有物质的运动速度超过光速，由于光的速度也是有限的，即30万千米/秒。但是这样的速度在动辄以光年为单位距离的宇宙中也是意义不大。从理论上而言，应当还有超过光速运行的物质，只是现在没有发现而已。于是，科学家们有提出“虫洞理论”，认为60多年前，爱因斯坦提出了“虫洞”理论。那么，“虫洞”是什么呢？简单地说，“虫洞”是宇宙中的隧道，它能扭曲空间，可以让原本相隔亿万公里的地方近在咫尺。 当我们接近光速远离大钟，看到的钟，变慢，当我们以光速远离，看到的钟停止，推论当我们超过光速，将看到钟以前的样子，好像钟在倒退。“一个事件的“时间”，就是在这事件发生地点静止的一只钟同该事件同时的一种指示，而这只钟是同某一只特定的静止的钟同步的，而且对于一切的时间测定，也都是同这只特定的钟同步的。爱因斯坦修改了时间的定义，时间变成了看到的钟显示的数，因此时间才会变慢。通常人们对于相对论的理解，只限定在时光能否倒流。于是越来越多的人幻想能够时空穿越，回到过去的某个时代。实际上爱因斯坦的相对论并没有说时光可以倒流，只是说时间可以变快或变慢。时间的变快或变慢和时光倒流是很不一样的两个概念。我们都知道，在日常生活中，时间永远是指向“未来”的，“过去”一去不复返。也就是说，“时间轴的方向永远指向未来”这一点是不可改变的。即使时间像爱因斯坦相对论中所说的变快或变慢，也只是改变时间的流动“速大学物理第4章 狭义相对论时空观习题解答改
比较相对论时空观和牛顿经典时空观
《狭义相对论》
相对论时空观
15.狭义相对论的基本原理及其时空观
高中物理经典时空观与相对论时空观-例题解析-文档
《经典时空观与相对论时空观》教案(1)(1)
4广义相对论的时空观简析
狭义相对论的时空观
高中物理《经典时空观与相对论时空观》教案
经典时空观与相对论时空观
从相对论出发谈时空观
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