《狭义与广义相对论浅说》

狭义与广义相对论探讨（三）作者：刘海军来源：《科技风》2021年第02期摘要：首次根据爱因斯坦提出的尺缩钟慢效应，扩展出同地异时、同时异地、异地异时随机事件的空间间隔和时间间隔在动系与静系中变化的数学函数表达式，指出这种情况下，时间和空间是相互独立的。

首次提出了等长的刚性量杆和等时的惯性系原点上的同步钟的原长和原时在所有的不同惯性系中都是相等的。

首次提出了，当无数惯性系的原点连续连接时的轨迹，和牛顿力学的质点在静系中的运动轨迹是一样的。

首次提出了，任何参考系都和静系是平权的，可以是匀速、变速、加速、减速、规则、不规则的;可以由一维扩展到二维和三维空间，其运动轨迹可以是任意形状的非闭合曲线和任意形状的闭合曲线。

首次提出对撞机的理论依据是错误的。

首次提出了隧道佯谬、车库佯谬、孪生子佯谬是错误的。

关键词：原长;原时;尺缩钟慢效应狭义相对论中最著名的效应是动尺变短和动钟变慢，即尺缩钟慢效应，下面我们看看，爱因斯坦是怎样阐述的。

1 尺缩效应爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》北京大学出版社科学元典从书/彩图珍藏版28页《量杆和钟在运动时的行为》是这样讲的：我沿着K′的x′轴放置一根米尺，令其一端（始端）與点x′=0重合，另一端（末端）与点x′=1重合。

问米尺相对于参考系K的长度为何？要知道这个长度，我们只须求出在参考系K 的某一特定时刻t、米尺的始端和末端相对于K的位置。

借助于洛伦兹变换第一方程，该两点在时刻t=0的值可表示为两点间的距离为：两点间的距离为：但米尺相对于K以速度v运动。

因此，沿着其本身长度的方向以速度v运动的刚性米尺的长度为：米。

因此刚尺在运动时比在静止时短，而且运动得越快刚尺就越短。

这就是爱因斯坦讲的尺缩效应的原始文献，我们还原他的推导过程：这个式子对于沿着K′的x′轴放置的一根米尺的任意长度都是适用的，因为运动不会改变参考系本身的空间间隔，所以对于K′的x′轴上的每一点的空间坐标都是适用的，任何时间都一样，就是说，与时间没有关系。

如何解释⼀下⼴义相对论和狭义相对论？这⾥只能简单介绍⼀下相对论，稍微了解⼀下这个理论的⼀些基本内容，毕竟没⼈敢说真正理解相对论啊。

在⼆⼗世纪初，爱因斯坦相继创⽴了狭义相对论和⼴义相对论，给经典物理学带来了变⾰，翻开了现代物理学的全新篇章。

狭义相对论在经典物理学中，时空是绝对的，但狭义相对论指出时空是相对的。

狭义相对论有两⼤基础：其⼀是相对性原理，物理定律在所有的惯性系中都是相同的；其⼆是光速不变原理，光速在所有的惯性系中保持⼀个恒定常数。

由此可以得出⼏⼤推论：1）动尺变短如果⼀根尺⼦以⼀定的速度运动，则观察者将会测量到这根尺⼦变得⽐静⽌的时候更短。

2）动钟变慢如果⼀个时钟以⼀定的速度运动，则在它之上的时间流逝速度将会变慢。

如果与静⽌的时钟相⽐，运动时钟⾛得更慢。

狭义相对论的时间膨胀效应表明，物体运动速度越快，时间流逝就越慢。

这个效应已在实验中得到证实，⽽且还被应⽤于全球定位系统。

3）质能⽅程从狭义相对论中还能导出著名的质能⽅程E=mc^2，这个公式揭⽰了质量和能量可以互相转换，它也是核反应的理论基础。

⼴义相对论⼴义相对论主要与引⼒有关，它揭⽰了引⼒的本质——即引⼒是物体弯曲时空的结果。

物体的质量越⼤，扭曲时空就越显著，表现出的引⼒作⽤就越强。

⼴义相对论预⾔了诸多现象：1）⿊洞如果物体的质量⼤到⼀定程度，它会极度扭曲时空，以⾄于连光都⽆法从中逃逸出来，这就是⿊洞。

2）⼴义相对论的时间膨胀效应时空扭曲的程度还会影响时间的流逝速度。

时空扭曲越显著，引⼒场越强，时间流逝速度就越慢。

这个效应已在实验中得到证实，⽽且还被应⽤于全球定位系统。

3）引⼒波两个⼤质量天体互相接触，会在时空中产⽣显著的涟漪，它以光速向外传播，这就是引⼒波。

在去年年初，引⼒波已经被直接探测到。

简⽽⾔之，⼴义相对论可以借⽤著名物理学家约翰·惠勒的⼀句名⾔来概述：物质告诉时空如何弯曲，时空告诉物质如何运动。

以上是关于狭义相对论和⼴义相对论的简单介绍，想要深⼊了解可以去看⼀些相关专著，或者直接去拜读爱因斯坦的原著。

1. 梦的解析
作者: [奥地利] 弗洛伊德
出版社: 国际文化出版公司
2. 全球通史（第7版上册）作者: [美] 斯塔夫里阿诺斯
出版社: 北京大学出版社
3. 狭义与广义相对论浅说
作者: [美] 爱因斯坦
出版社: 北京大学出版社
4. 太阳照样升起
作者: 厄内斯特.海明威
出版社: 武汉测绘科技大学出版社
5. 就业、利息和货币通论
作者: 约翰·梅纳德·凯恩斯
出版社: 商务印书馆
6. 存在与虚无
作者: [法] 让-保尔·萨特
出版社: 生活·读书·新知三联书店
7. 在路上
作者: [美] 杰克·凯鲁亚克
出版社: 上海译文出版社
8. 寂静的春天
作者: [美]蕾切尔·卡森
出版社: 上海译文出版社
9. 时间简史
作者: [英] 史蒂芬·霍金
出版社: 湖南科学技术出版社
10. 未来之路
作者: 比尔・盖茨
出版社: 北京大学出版社。

《狭义与广义相对论浅说》李醒民中国科学院大学作为思想家，爱因斯坦的以开放的世界主义、战斗的和平主义、自由的民主主义、人道的社会主义为标志的社会政治哲学，以及远见卓识的科学观、别具慧眼的教育观、独树一帜的宗教观，无一不是人类宝贵的思想遗产，它们将会成为21世纪“和平与发展”主旋律中的美妙音符，永远充当社会进步和文明昌盛的助推器。

他的科学哲学是由五种要素——温和经验论、基础约定论、意义整体论、科学理性论、纲领实在论——构成的独特而绝妙的多元张力哲学。

在这个兼容并蓄、和谐共存的哲学统一体中，这些不同的乃至异质的要素相互限定、珠联璧合，彼此砥砺、相得益彰，保持着恰如其分的“必要的张力”，从而显得磊落轶荡、气象万千。

他的探索性的演绎法、逻辑简单性原则、准美学方法、形象思维等科学方法论别出机杼，所向披靡。

他关于科学的客观性、可知性、统一性、和谐性、因果性、简单性、不变性等的科学思想涵义深邃，意蕴隽永。

它们是19和20 世纪之交科学哲学和科学方法论的巅峰——以马赫、庞加莱、迪昂、奥斯特瓦尔德、皮尔逊为代表的批判学派——之集大成和发扬光大，是现代哲学的思想奇葩和智慧结晶，从而在哲学史和思想史上浓墨重彩地大书一笔，成为世人取之不尽、用之不竭的精神宝藏。

爱因斯坦作为一个大写的人，他对生命的价值和人生意义的理解，他对真善美的不懈追求，他的独立的人格、仁爱的人性和高洁的人品，这一切形成了他的丰盈的人生哲学和道德实践，成为人类高山景行的楷模和人的自我完善的强大的精神力量。

在某种意义上，作为人的爱因斯坦比作为科学家和思想家的爱因斯坦还要伟大。

当他活着的时候，全世界善良的人似乎都能听到他的心脏在跳动；当他去世时，人们不仅感到这是世界的巨大损失，而且也是个人的不可弥补的损失。

这样的感觉和情愫是罕有的，一个自然科学家的生与死能在世人中间引起这样的感觉，也许在历史上还是头一次。

说到此处，我蓦然想起宋人钱惟演的《对竹思鹤》。

钱诗云：“瘦玉萧萧伊水头，风宜清夜露宜秋。

《狭义与广义相对论浅说》阅读随笔一、相对论背景介绍在人类对物理世界的认识历程中，人们一直在寻求统一且符合逻辑的宇宙法则。

牛顿力学在很长时间内被认为是解释物质运动和相互作用的最好理论，随着物理学的发展和研究的深入，人们逐渐发现了某些难以解释的现象和问题，比如在微观领域的量子力学问题和高速运动情况下的理论问题。

这样的探索与研究为相对论的诞生奠定了基础，特别是在人类科技发展初期关于光速的追求，提出了新的时空观念。

由此产生的问题刺激了人们对时间和空间观念的反思，引发了科学界对物理学理论的一次重大革命。

在这样的背景下，爱因斯坦的相对论应运而生。

狭义相对论，首次打破了牛顿力学中的绝对时空观，提出了空间与时间的相对性。

它强调了宇宙的自然法则与物理定律在任何惯性参考系下都保持一致的特性，并以光速作为其核心参考量度标准。

该理论的核心思想是：物理定律在所有惯性参照系中都是等价的。

通过此理论我们得以对时间和空间的测量产生了全新的理解，在这一基础上构建的宇宙观让人们重新认识了时间和空间的相对性特征以及物体在高速运动下的物理表现。

这为后续研究开启了新的视角和路径，对于进一步推动物理学的进步有着不可磨灭的贡献。

而广义相对论则进一步扩展了狭义相对论的理论框架，引入了引力场和曲率空间的概念，揭示了引力是如何影响时空结构的。

广义相对论不仅解释了引力的一些现象，而且深化了我们对宇宙的认知和物质之间相互作用的理解。

因此这一理论自诞生以来引起了巨大的反响和研究热潮，进一步推进了物理学和人类对宇宙的认知进程。

相对论是一个融合了时间和空间观念、对运动规律和引力理论进行全面改革的重大理论体系。

在阅读过程中更是带来了无尽深思以及对自然的无限好奇及崇敬之感的提升。

二、狭义相对论详解在深入阅读《狭义与广义相对论浅说》狭义相对论作为全书的核心内容之一，引起了我极大的兴趣。

这一章节详细阐述了狭义相对论的基本原理和核心概念，为我揭示了时空相对性的神秘面纱。

狭义相对论浅说时光，每想起这个词都有种要对古人顶礼膜拜的冲动。

难道古人在很久之前就知道时和光有什么必要的联系吗？某个地方，一个十岁的孩子在期望星空，不断的遐想。

如果我的速度与光一样会怎么样？我会看到光变成一个个波吗？直觉和麦克韦斯方程组可以知道，这是不可能的。

如果一辆车以光速行驶会怎么样？会坏的，众人答道。

他没理睬。

如果一辆车以光速行驶，出发点有一块表，则表上反射上光将不能追上这辆车，车上的人只能看到出发那一刻日表的示数。

对他来说，时间就像停止了一样。

这一思考过程在这个十岁的孩子脑海里迅速的完成了。

这孩子将来肯定不一般。

十年后，1905年6月。

记住这个时间，它很伟大，可以说有划时代的意义，甚至能与1687年7月牛顿的《自然哲学的数学原理》出版相提并论。

十年前那个小孩子已经满腹经纶了。

这年，他一口气发表了6篇论文，具有划时代的意义。

《关于光的产生和转行的试探性观点》；《分子大小的新测定方法》；《热的分子运动论所要求的静液体中具浮粒子的运动》；《论动体的电动力学》；《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》；《布朗运动的一些检视》。

1905年6月这就是如雷贯耳的相对论诞生之时，从此开创了现代物理。

与量子力学并称为现代物理的两大支柱。

鄙人不才，在此和大家讨论一下较易懂的狭义相对论吧！（一）、光光对大家来说都不陌生，平时生活中经常见到光，也可以说我们平时见到的一切，都是光。

都是物体反射的光进入了我们的眼睛。

光的传播需要时间吗？不需要。

这个回答似乎很满足观测。

灯一开，整个屋子就亮了。

这似乎都是在同一时刻发生的。

我们的前人大都同意这个观点，甚至，著名物理学家、数学家开普勒、笛卡尔也是这么认为的。

但大家都知道光的传播是需要时间的。

证据如下：我们看到的太阳是8分钟之前的太阳，见到的月亮是1.3秒之前的月亮，见到一英里外的建筑是5微秒之前存在的，即使你在我一米之前，我看见的也是3纳诺秒前的你。

我们所见的一切都是过去。

——是不是有种淡淡的忧伤。

狭义与广义相对论浅说爱因斯坦.第一部分狭义相对论···································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································································· (4)1．几何命题的物理意义 4 2．坐标系 5 3．经典力学中的空间和时间7 4．伽利略坐标系8 5．相对性原理（狭义）8 6．经典力学中所用的速度相加定理10 7．光的传播定律与相对性原理的表面抵触10 8．物理学的时间观12 9．同时性的相对性14 10．距离概念的相对性15 11．洛伦兹变换16 12．量杆和钟在运动时的行为19 13．速度相加定理斐索实验20 14．相对论的启发作用22 15．狭义相对论的普遍性结果22 16．经验和狭义相对论25 17．闵可夫斯基四维空间27 第二部分广义相对论29 18．狭义和广义相对性原理29 19．引力场31 20．惯性质量和引力质量相等是广义相对性公设的一个论据32 21．经典力学的基础和狭义相对论的基础在哪些方面不能令人满意34 22．广义相对性原理的几个推论35 23．在转动的参考物体上的钟和量杆的行为37 25．高斯坐标41 26．狭义相对论的空时连续区可以当作欧几里得连续区43 27．广义相对论的空时连续区不是欧几里得连续区44 28．广义相对性原理的严格表述45 29．在广义相对性原理的基础上解引力问题47 第三部分关于整个宇宙的一些考虑49 30．牛顿理论在宇宙论方面的困难49 31．一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性50 32．以广义相对论为依据的空间结构53 附录54一、洛伦兹变换的简单推导54二、闵可夫斯基四维空间（“世界”）57三、广义相对论的实验证实58（1）水星近日点的运动59（2）光线在引力场中的偏转60（3）光谱线的红向移动62四、以广义相对论为依为依据的空间结构64五、相对论与空间问题65（1）场························································································································ (70)（2）广义相对论的空间概念73 （3）广义的引力论76第一部分狭义相对论1．几何命题的物理意义阅读本书的读者，大多数在做学生的时候就熟悉欧几里得几何学的宏伟大厦。

爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》《狭义与广义相对论浅说》是爱因斯坦为中等知识水平的读者撰写的相对论普及性著作，具有较高的可读性。

这本书分为两部分：《狭义相对论》和《广义相对论》。

在《狭义相对论》部分，爱因斯坦介绍了狭义相对论的两个基本原理：相对性原理和光速不变原理。

相对性原理指出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，同时强调时间和空间观念都具有相对性。

光速不变原理则指出在所有的惯性系中，真空中光的速度具有相同的值。

《广义相对论》部分则更为深入和复杂，涉及引力场、惯性质量和引力质量相等、以及空时连续区的性质等内容。

爱因斯坦在书中以最简单、最明了的方式介绍了相对论的主要概念，并大体按照相对论实际创生的次序和联系来叙述。

此外，书中还增添了一些珍贵的图片资料，并在导读中较为详细地介绍了相对论创立的科学背景、思想脉络、理论意义等。

《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，有助于一般读者更加清晰地理解相对论的基本原理和思想。