1、物理學與人類文明論文淺析相對論與現代時空觀學生姓名：所在學院：管理學院專業年級：工商管理111班學生學號：指導老師：唐延林老師2013 年 12 月 13日摘要物理學是一門探究一切物質的組成及運動規律揭示它們之間的聯系和各種 運動之間的關系的廣博而豐富的學問。作為自然科學的一門重要基礎科學，物 理學歷來是人類物質文明發展的基礎和動力。物理學史上最具影響力的理論一 一相對論，是一個關于時空和引力的基本理論，主要由阿爾伯特愛因斯坦 (Albert Einstein)創立，相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，共同奠定了現代物理學的基礎。在本文中，筆者將從狹義相對論、廣義相 對論的相關原

2、理和現代時空觀以及他們在當今社會中的巨大影響方面，來論述“相對論與現代時空觀”，筆者初次題寫物理學類文章，多有不足之處，望廣大 讀者朋友們海涵。關鍵字：相對性原理光速不變原理 等效原理 四維時空的不變論狹義相對論 廣義相對論現代時空觀洛倫茲變換 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 一、前言1 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 二、相對論的概念1 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 三、狹義的相對論3 HYPERLINK l

3、 bookmark38 o Current Document 1、狹義相對論概念3 HYPERLINK l bookmark42 o Current Document 2、狹義相對論的提出背景3 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 3、狹義相對論的基本原理4 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 4、狹義相對論的主要結論5 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 5、四維時空中的不變量6 HYPERLINK l bookmark77 o Current Do

4、cument 6、質能關系、質能轉化6 HYPERLINK l bookmark81 o Current Document 四、新引力理論一一廣義相對論7 HYPERLINK l bookmark85 o Current Document 1、廣義相對論概念7 HYPERLINK l bookmark89 o Current Document 2、廣義相對論的基本原理8 HYPERLINK l bookmark93 o Current Document 3、廣義相對論的主要結論及一些預言9 HYPERLINK l bookmark102 o Current Document 4、相對論的時光觀

5、9 HYPERLINK l bookmark109 o Current Document 五、相對論對當今社會的影響10六、論文小結11附：參考文獻13一、前言時光飛逝，轉眼之間又過了半個學期，這半年來，在唐老師兢兢業業的教 學下，我們完成了物理學與人類文明課程的學習，臨近期末，是課程結束的時 候，也是我們的知識用到實處的開始階段。還記得老師講授物理學與人類文明 第四章的內容一一相對論與現代時空觀。由于個人的原因，對愛因斯坦有著莫 名的崇拜，同時也對他老人家的相對論非常感興趣，以至于本人對這一堂課印 象非常深刻。本來就有想寫點東西的想法，再加之老師交給我們完成課程論文 撰寫的任務，同時我們也務

6、須對本次課程的學習總結反思一番，鑒此，筆者作 如下小論一篇淺析相對論與現代時空觀。物理學是一門探究一切物質的組成及運動規律揭示它們之間的聯系和各種 運動之間的關系的廣博而豐富的學問。作為自然科學的一門重要基礎科學，物 理學歷來是人類物質文明發展的基礎和動力。同時作為人類追求真理、探索未 知世界奧秘的有力工具，物理學又是一種哲學觀和方法論。在人類文明漫長的 歲月中，這種古老而又生機勃勃的學科為我們造就了一個又一個光輝的里程碑。物理學對科學技術和生產力的發展起著最直接地推動作用，幾次工業革命 便是最好的驗證。其都是由于物理學深刻地揭示了自然規律，構成了認識自然、 改造自然的巨大力量，為科技發展提供

7、了方法和技能。近一個世紀以來，物理 學又有了嶄新的進展，帶來相應的新技術革命。二、相對論的概念相對論是關于時空和引力的基本理論，主要由阿爾伯特愛因斯坦(AlbertEinstein)創立，依據研究的對象不同分為狹義相對論和廣義相對論。相對論和 量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，共同奠定了現代物理學的基礎。 相對論極大地改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了 “同時的相 對性”、“四維時空”、“彎曲時空”等全新的概念。狹義相對論和廣義相對論建立以來，已經過去了很長時間，它經受住了實 踐和歷史的考驗，是人們普遍承認的真理。相對論對于現代物理學的發展和現 代人類思想的發展都有巨大的影

8、響。相對論從邏輯思想上統一了經典物理學， 使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎 上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系，指出它們都服從狹義相對性 原理，都是對洛倫茲變換協變的，牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的 近似規律。廣義相對論又在廣義協變的基礎上，通過等效原理，建立了局域慣 性長與普遍參照系數之間的關系，得到了所有物理規律的廣義協變形式，并建 立了廣義協變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級近似。這就從根本上 解決了以前物理學只限于慣性系數的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對 論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念，給出了科學

9、而系統的時空觀和物質觀，從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。三、狹義相對論1、狹義相對論的概念狹義相對論，是只限于討論慣性系情況的相對論。牛頓時空觀認為空間是 平直的、各向同性的和各點同性的的三維空間一一絕對空間，時間是獨立于空 間的單獨一維(因而也是絕對的)，即絕對時空觀。狹義相對論認為空間和時間 并不相互獨立，而是一個統一的四維時空整體，并不存在絕對的空間和時間。 在狹義相對論中，整個時空仍然是平直的、各向同性的和各點同性的，這是一 種對應于“全局慣性系”的理想狀況。狹義相對論將真空中光速為常數作為基 本假設，結合狹義相對性原理和上述時空的性質可以推出洛侖茲變換。2、狹義相對論的提出背

10、景在19世紀末，人們知道光速是有限的，在測量光速時發現，木星衛星發出 的光，到達地球的時間是相同的，而不管地球是朝向衛星運動還是背向衛星運 動。這不符合物體運動的速度疊加原理(A參照系相對于B參照系速度為v1,A 上發出相對A速度為V2的物體，物體相對于B速度為V1+V2)，而符合波的性質， 因為當時已知的所有波都有介質，因此人們假設光也有介質，定名為“以太”， 光在以太中穩定傳播，所以與地球的運動無關。由于地球并非宇宙中的特殊天體，以太應該對地球有相對運動，而著名的邁克 耳孫(A.A.Michelson)和莫雷(E.W.Morley)實驗證明了相對地球運動的以太 不存在，也就是說，如果存在以

11、太，以太就是對地球靜止的，這里和一些人認為的證明了以太不存在，敘述上有一點點區別。1905年，愛因斯坦提出兩條假設：1。相對性原理：物理學在一切慣性參考系中都具有相同的數學表達形式，也就 是說，所有慣性系對于描述物理現象都是等價的。（夠絕對的）2。光速不變原理：在彼此相對作勻速直線運動的任一慣性參考系中，所測得的 光在真空中的傳播速度都是相等的。1964年到1966年，歐洲核子中心（CERN）在質子同步加速器中作了有關光 速的精密實驗測量，直接驗證了光速不變原理。實驗結果是，在同步加速器中 產生的一種介子（寫法是派的0次方）以0.99975c的高速飛行，它在飛行中發生 衰變，輻射出能量為600

12、0000000eV的光子，測得光子的實驗室速度仍是c。3、狹義相對論的基本原理（1）相對性原理一一所有的物理規律在不同的慣性參照系中均一樣。乘坐的火車仃在車站上 時，有一列原仃靠在相 鄰鐵軌上的火車向后駛 離車站，您卻覺得自己 所乘坐的列車向前開動 了W/ 7/7/圖乘坐的火車仃在車站上 時，有一列原仃靠在相 鄰鐵軌上的火車向后駛 離車站，您卻覺得自己 所乘坐的列車向前開動 了W/ 7/7/圖4.4小境在運動和不動的列軍上崩作自由寤障運動（2）光速不變原理一一光在真空中的傳播速度，在所有慣性參照系中均相同。但光在不同介質中 的傳播速度是可以 不一樣的4、狹義相對論的主要結論fZ但光在不同介質中

13、 的傳播速度是可以 不一樣的4、狹義相對論的主要結論fZ%大5%777TJ77777777777 地面（1）同時的相對性在車廂上同時發生的兩件事，在地面上看來并不同時發生。同時性具有相對性。（2）時間延緩既然同時性是相對的，為什么時間 一定是絕對的呢？圖4.7a圖4.7a光波左車廂內反射閣4.7b地面參照系看光迎在車能內的反患Ar0 / 2 =為 斜邊為 心*（3）長度縮短I CI C孔圖4.8時空相對姓E = . + - = L J】-表明空間也是相對的，在不同參照系有不同的空間結構。在一個參照系看物體是一個正方體，在另一個參照系可能是長方體；在一個 參照系是球形，在另一個參照系卻是扁球形的

14、。表明物體的形狀是相對的。5、四維時空中的不變量狹義相對論中，距離和時間在不同的參照系是不同的。然而S2 = (cAt )2 (Ar )2是四維時空中的不變量。表明時間和空間不是獨立的，相互間存在聯系！6、質能關系、質能轉化(1)質能關系在化學反應中，例如氫與氧結合生成水，水的質量等于參加反應的氫和氧 的質量之和。在反應中放出的熱量，被認為是氫和氧原子中儲存的化學能，在 整個反應過程中，能量和質量分別守恒。愛因斯坦要使物體運動定律既滿足光速不變和相對性原理，又要求低速下與 牛頓定律一致，得到了一個令人意外的結果：物質可以轉化為運動能量，能量mc mc 2E物質與能量相互等價質量包括靜止質量和運

15、動質量靜止質量可以轉化為運動質量：如正負粒子相互湮滅成光子，而光子 只有運動質量沒有靜止質量.反之亦然。（2）質能轉化氫與氧結合生成水時放出的熱量來源于氫與氧的質量和與水的質量之 差（也稱質量虧損）。化學反應的質量虧損比例約為一千億分之一到十億分之一。核反應的比 例約為一萬分之一到一千分之一。50克物質全部轉化為能量，可將西湖中的所有水加熱到沸騰。四、新的引力論一一廣義相對論1、廣義相對論的概念廣義相對論是愛因斯坦在1915年發表的理論。愛因斯坦提出“等效原理”， 即引力和慣性力是等效的。這一原理建立在引力質量與慣性質量的等價性上（目 前實驗證實，在1012的精確度范圍內，仍沒有看到引力質量與

16、慣性質量的差別）。根據等效原理，愛因斯坦把狹義相對性原理推廣為廣義相對性原理，即物 理定律的形式在一切參考系都是不變的。物體的運動方程即該參考系中的測地 線方程。測地線方程與物體自身故有性質無關，只取決于時空局域幾何性質。而引力正是時空局域幾何性質的表現。物質質量的存在會造成時空的彎曲，在 彎曲的時空中，物體仍然順著最短距離進行運動（即沿著測地線運動一一在歐氏 空間中即是直線運動），如地球在太陽造成的彎曲時空中的測地線運動，實際是 繞著太陽轉，造成引力作用效應。正如在彎曲的地球表面上，如果以直線運動， 實際是繞著地球表。2、廣義相對論的基本原理 （1）廣義協變原理自然規律對于任何參照系而言都應

17、具有相同的數學形式。（2）等效原理勻加速參照系可與均勻引力場中靜止的參照系等效。比薩斜塔實驗m引=!慣3、廣義相對論的主要結論及一些預言（1）結論丁 C2 GM引力大的地方時間過得慢； AT =1 At引力導致空間彎曲。V c 2r（2）預言恒星光的引力偏轉；雷達回波延遲；水星近日點的進動。4、相對論的時光觀（1）牛頓的絕對時空觀認為時間和空間是絕對的、均勻的，相互獨立的；根據相對論,時間和空間是相對的。即在不同的參照系時間是不同的，物體的形 狀，質量等都是不同的；“橫看成嶺側成峰，遠近高低各不同。”（蘇軾題西林壁）（2）時間和空間是相互關聯的。一個參照系中的所有鐘都校準了，即相互同步的，在另

18、一參照系看這些不同 地點的鐘都不同步了。（3）四維時空中的“不變論”相對論（relativity）不同于“公說公有理，婆說婆有理。”沒有是非標 準的相對主義（relativism）的理論。尋求不同參照系中各觀測量之間的聯系，重點是不同參照系中的共性，即所謂的“不變性”真空中的光速在不同參照系中是不變的，物理規律的數學形式在不同參照 系中是一樣的。時空會影響物質的“內在的特性” ！物質也會反過來改變時空！時間與空間不僅是相對的、相互關聯的，而且與物質存在有關，與觀察者的 運動狀態有關五、相對論對當今社會的影響從愛因斯坦的相對論出現后，大家都知道時間也是相對的，是和質子裂變的 速度的比較.這個事情

19、推論到人的身體要素上也是成立的.當人體機能所進行的分子裂 變超過正常的時候，也就是新陳代謝大量造物的時候，即新造的多而代謝的少的 時候，那么這個人的體內質子裂變將明顯超過時間相對的質子裂變的速度，因此 在這個人的內心的心理時間就會比外界的正常時間長.比如小孩子，由于他們的 新陳代謝旺盛，因此他們的內心就我們正常人的時間感覺長，因此他們表現的好 動.不過這個心理時間可以通過人的意念，欲望所控制，因此有些小孩子在很小 的時候就表現的比較安靜，比較鎮定，那是他們從心理上把肌體質子裂變的比例 因子用意念給縮短了.如果這種意念能夠長久的保持和利用,這樣的孩子在成人 以后多能表現的臨危不亂，很容易成大事.

20、而且這個肌體質子裂變的，在特定情況下，可以受到臨時或者外部環境的影 響，比如人在焦慮，憂愁，煩惱，悲傷的時候，此時人的體內的質子裂變激烈，質子 的劇烈裂變導致激烈的心理暗示.這個心理暗示是在加速質子裂變的情況下產 生的影響，因此此時的心理暗示比正常情況下普通的心理暗示強烈的多，因此人 們在危難，憂愁，煩惱前的心理暗示往往是極其激烈的，激烈的可以摧毀一個人 的精神支柱，理念信仰.相反的，如果人類利用這個心理暗示加速自己的戰斗決心和意志力，這將無 形的增大這個人的意志力.就象說愛情的力量是偉大的，其實不是愛情有力量, 而應該是質子裂變下心理暗示所造成的能量的累計.因此21世紀更偉大的生命科學將從淺

21、層次的人類心理意識行演變成引導這 種心理意識革命的更偉大的戰斗中去.到那時，人類的很多極限將需要重新譜 寫.六、總結我們的物理學有許多的哲理性的解釋、原理和概念，它都可以被借鑒推廣 到人類社會各個領域，實現多領域的創新，使我們社會、個人健康發展過程中 積累智慧，不斷合理前進。當前不管是社會、民族、科技都朝著和諧統一的方 向發展。愛因斯坦、萊布尼茨、波爾、費曼、楊振寧等世界物理學大師都很欣 賞中國古代的系統而有機的思維，并試圖用系統的東方思維方式尋找自然界中 各種矛盾理論的大統一理論。愛因斯坦為這一方向做出了前期的貢獻。狹義、 廣義相對論正是統一各前期各學科理論矛盾后得出的偉大物理理論。他還歷史

22、 性地提出“愛因斯坦質能方程”。事實上這種表現方式在中國的古代就已經有了， 并且早已成功地運用到中醫學中。在中醫學中，愛因斯坦的“質”被解釋為“血”， “能”則被解釋成“氣”。質能的辯證統一，早在兩千多年前的古代中國就已經 以“氣血”的辯證理論，為世世代代中國人的健康問題而服務。我們在學習各領域學科時，應該不忘記與自然、歷史、思想、文化、人類社會 和積極的處世哲學相聯系。在學習自己的學科時，真正成為一個全面發展的人。綜合以上論述，物理學自其誕生便作為一門能夠不斷改寫和更新人類文明 的學問而存在并不斷豐富發展著；它對人類社會進步的貢獻是每一位科學家有 目共睹的。物理學不僅滿足了人們探索未知世界的好奇心與求知欲，同時在其 理論發展過程中對工業科技進步及其它自然科學發展潛移默化地起著舉足輕重 的作用。物理學的發展，不僅為人類物質生產開拓了新的空間，而且為人類精 神世界積淀了豐富的寶藏，對人類社會的生產方式、生活方式和思維方式產生