8、时空的相对性与绝对性原理
问题导引：牛顿的绝对时间和空间与爱因斯坦的相对时间和空间之间存在什么关系？
以太观念并没有死掉，它不过是一个还未发现有什么用处的观念，只要基本问题仍未得到解决，必须记住这里还有一种可能性。─狄拉克
在时间观念上，作为现代物理学两大支柱的相对论和量子力学一直存在着抵触。量子力学在绝对意义上使用时间的概念，而相对论认为这是不允许的。正如狄拉克所说：“这里我们就碰到了巨大困难的开头。„„这个抵触是最近四十年来物理学的主要问题。” 【3】按照Einstein的想法，不能说相对论提供了详尽的世界图景，它只是提供了这幅图景所应当服从的某些要求，而且没有指明空间与时间的本质及区别。因此相对论本身并不是一个理论，而是对物理学理论的一个要求，空间与时间应当是绝对性与相对性的统一。
相对空间、相对时间、相对space-time是绝对空间、绝对时间、绝对space-time的表现形式【1】。绝对space-time由相对space-time组成，无穷个相对space-time组成绝对space-time，在研究两个物体的相互作用时，可以把第三个物体激发的相对space-time作为绝对space-time（此时绝对空间并不均匀，绝对时间流速也不均匀）。这一点类似于地理学中的高度都是相对的，但是若以海平面为基准，则可以成为绝对高度。地方时是相对的，但是倘若规定一个标准，则可以认为是绝对的，例如中国的北京时间。
根据这一观点可知广义相对论的正确，例如不是物质存在于空间、时间中，而是物质具有空间和时间的广延性，当一个物体消失时，它所激发的相对space-time消失，但是绝对space-time依然存在。因此绝对时空有宇宙中所有的场——相对时空组成，真空是绝对space-time，Newton的绝对space-time观有其正确性的一面，因此Einstein认为场论未能成功地提供整个物理学的基础。Einstein的相对space-time观与Newton 的绝对space-time观分别看到了问题的一个方面，有一定的局限性，因此应正确理解space-time的绝对性与相对性的辩证关系。广义相对论中的以太其实就是绝对时空，一个物体在宇宙中其它物体激发的相对时空的总和——绝对时空中总是沿着短程线在运动。
第2节 时间和空间的相对性
P107“同时”的相对性
“光速不变原理”，“狭义相对性原理”
对于地面的观察者，沿着火车运动方向，前面的事件后发生。
科学的方法与科学的价值观
实验或观测事实（或直接经验）
↓
猜想与假设（两个基本原理）
↓
逻辑分析（数学推理）
↓
可检验的结论
P106思考与讨论
……列车K某车厢的中央发出了一个闪光，车厢中的人认为闪光同时到达了前后两壁……这列火车K静止在车站里，另一列火车L从旁边呼啸而过（图15.2-2）。那么，在运动的火车L里，观察者认为，沿着运动方向位置靠前一些的事件A先发生，还是靠后一些的事件B先发生？
…… 闪光同时到达车厢的前后两壁吗？
图15.2-2在运动的观察者看来，A先发生还是B先发生？
研究同时的相对性时，两事件哪个先、哪个后对学生并无特殊意义。但这个结论在下一个小标题中要用。
P109长度的相对性
学生不必复述推理的过程，但应该清楚、熟练地知道结论：
l = l02)(1cv
P110时间间隔的相对性：
Δt =
2)(1cv
P111时空相对性的实验验证
μ子，1941年
P113科学足迹：狭义相对论出现的前夜
如果没有爱因斯坦，几年之后同样会有狭义相对论，但也许很多年之后也没有广义相对论。
图15.2-3地面观察者认为自己同时测得了杆两端的坐标，火车上的观察者却认为他不是同时测量的，所以两个参考系的测量值有了差异。
第十五章 相对论简介
15.1 相对论的诞生 15.2 时间和空间的相对性
课前自主学习
1．19世纪末期，物理学上令人不安的两朵乌云，一朵与 有关，另一朵与
有关．
2．牛顿定律成立的参考系叫 ，任何 都是 的．
3．狭义相对论的两个基本假设是指 ；
。
4．经典物理学家认为，一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，但分析表明： 的确与观察者与杆之间的相对运动有关．
5．在经典物理中，同时为 的，但在相对论者看来，同时是 的．
6．时空相对性的最早证据跟 有关．
重点难点点拨
题型一 对光速不变原理的理解
飞船在高空以0.1c的速度向目标飞行，从飞船上向目标方向发射一个光信号，则在地面的观察者看来光信号的速度是1.1c吗？
题型二 时间间隔的相对性
人马星座α星是离太阳系最近的恒星，它距地球4.3×1016m，设有一宇宙飞船自地球往返于人马星座α星之间，设宇宙飞船的速度为0.999c，按地球上的时钟计算，往返一次需多长时间？若以飞船上的时钟计算，往返一次的时间又为多少？(取1位有效数字)
变式 世界上各式各样的钟：砂钟、电钟、机械钟、光钟和生物钟．既然运动可以使某一种钟变慢，它一定会使所有的钟都一样变慢．这种说法是 ( )
A．对的，对各种钟的影响必须相同
B．不对，不一定对所有的钟的影响都一样
C．A和B分别说明了两种情况下的影响
D．以上说法全错
课堂知识演练
1．以下说法正确的是( )
A．不论光源与观察者做怎样的相对运动，光相对于观察者的速度都是一样的
B．观察者沿垂直于杆的方向运动时，观察到的杆的长度没有变化
C．“动钟变慢”是时钟的精度因运动而发生了变化
时间和空间是相对的
时间和空间是两个我们每天都在经历和感知的抽象概念。无论我们意识到与否，我们的生活都受时间和空间的限制和影响。然而，仔细思考时间和空间的本质，我们会发现它们实际上是相对的。
首先，让我们来讨论时间的相对性。在日常生活中，我们使用钟表来测量和管理时间。从小时到分钟再到秒，时间以一种线性的方式前进。然而，这种线性的时间观念在现代物理学中受到了挑战。爱因斯坦的相对论表明，时间的流逝是相对的，取决于观察者的速度和重力场。根据相对论的观点，当两个人以不同的速度运动时，他们会感知到时钟的速度不同。这被称为时间相对论。
时间的相对性可以从更常见的例子中得到证实。比如，当我们乘坐火车或飞机旅行时，我们会发现自己的钟表与目的地的钟表有所不同。这是因为当我们以高速移动时，时间的流逝速度会变慢。这也是为什么在太空中，宇航员们的时间会比地球上的时间慢一些。因此，从这个角度来看，时间是相对的。
另一方面，让我们来看看空间的相对性。经典物理学认为，空间是一个三维的坐标系统，具有长度、宽度和高度。我们可以用尺子测量物体之间的距离，并将其表示为固定的数值。然而，在相对论的框架下，空间也是相对的。爱因斯坦提出的广义相对论表明，物体的质量和引力会扭曲空间和时间的结构。这导致了我们熟知的引力效应，例如行星围绕太阳运行。
相对论还引入了“时空”的概念，将时间和空间合并为一体。根据相对论的观点，时空是一种弯曲的结构，物体沿着曲线而不是直线运动。这就解释了为什么行星的轨道是椭圆形的，而不是直线。在这个理论中，时空的形状和质量的分布密切相关，形成了一个复杂的相互作用关系。
对于我们日常生活中的普通观察者而言，时间和空间的相对性可能并不明显。然而，当我们进入高速和高重力的领域时，这些相对性变得更加突出。例如，我们可以考虑黑洞的情况。在黑洞的事件视界内，时间的流逝几乎停止，空间被严重弯曲。这种极端情况表明了时间和空间的相对性的极端程度。
