浅谈经典力学与相对论力学
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周俊亮
CHINA |
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，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，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V＜＜C时，l≈l O,t≈t O,m≈m 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（v<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。
