狹義相對論

人類對宇宙的探索從未停止過。從地心說到日心說，然后是偉大的牛頓把地球物質(zhì)的力學和天體力學統(tǒng)一到一個力學體系中，創(chuàng)立了經(jīng)典力學理論體系，正確地反映了宏觀物體低速運動的規(guī)律，實現(xiàn)了自然科學的第一次大統(tǒng)一。這是人類對自然界認識的一次飛躍。

接下來是愛因斯坦的相對論，讓人們對高速運動的物理世界有了一個清楚的認識，然后人們發(fā)現(xiàn)了黑洞。黑洞這一天體的發(fā)現(xiàn)讓人們突然意識到，只要解開黑洞的秘密，也就真正解開了宇宙的秘密。而真正想要了解黑洞，就一定要了解一些關于天體物理的基本知識。現(xiàn)在已經(jīng)有一門專門研究宇宙的學科——天體物理學，主要研究星體的物理性質(zhì)（光度、密度、溫度、化學成分等）和星體與星體之間的相互作用，應用物理理論與方法來探討恒星結構、恒星演化、太陽系的起源和許多與宇宙學相關的問題。

關于宇宙的起源，我們現(xiàn)在知道最著名的理論就是大爆炸理論，宇宙中所有的一切都來自最初的那場爆炸。這一理論的提出要歸功于理論物理學家的大膽假設，這種假設并不是無依據(jù)的胡亂猜測，而是有太多實際觀察到的現(xiàn)象讓這些聰明的大腦意識到宇宙可能的開始和結局。接下來，就讓我們?nèi)タ纯从心男├碚摽梢詭椭覀兞私庥钪娴膴W秘，有哪些理論可以帶我們?nèi)ジ惺軙r間與空間糾纏的奧秘。

愛因斯坦是真正讓我們對時空這個概念有了科學認識的人。他的相對論理論是我們探索神秘宇宙的燈塔。相對論主要包含兩部分內(nèi)容：狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論最著名的推論是質(zhì)能公式，將質(zhì)量與能量統(tǒng)一在一起；而廣義相對論所預言的引力透鏡和黑洞，也被天文觀測所證實。

哲學的偉大之處除了讓人有理性思考之外，更重要的是它包羅了一切科學在未被完全解釋中提出的那些假設，而任何一種假設都會讓人充滿探求的快樂。每個人都會受到前輩的啟發(fā)，就連偉大的愛因斯坦也不例外。

奧地利物理學家恩斯特·馬赫（1838—1916）和英國哲學家大衛(wèi)·休謨（1711—1776）的理論對愛因斯坦影響很大。馬赫認為時間和空間的量度與物質(zhì)運動有關，時空的觀念是通過經(jīng)驗形成的，絕對時空無論依據(jù)什么經(jīng)驗也不能把握。休謨則說得更加具體：空間觀念是從可見的和可觸知的對象的排列方式中得到的，時間觀念是依據(jù)觀念和印象的接續(xù)形成的。

知識拓展1

以太

以太是希臘語，原意為上層的空氣，指在天上的神所呼吸的空氣。在宇宙學中，有時又用以太來表示占據(jù)天體空間的物質(zhì)。1881～1884年，波蘭裔美籍物理學家阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷為測量地球和以太的相對速度，進行了著名的邁克爾遜—莫雷實驗。實驗結果顯示，不同方向上的光速沒有差異。這實際上證明了光速不變原理，即真空中光速在任何參照系下具有相同的數(shù)值，與參照系的相對速度無關，這也證明以太其實并不存在，后來又有許多實驗支持這個結論。

在19世紀末和20世紀初，人們雖然還進行了一些努力來拯救以太，但在狹義相對論確立以后，它終于被物理學家們所拋棄。人們接受了電磁場本身就是物質(zhì)存在的一種形式這一概念，而電磁場可以在真空中以波的形式傳播。量子力學的建立讓這一觀點更為人們所認可，因為人們發(fā)現(xiàn)，物質(zhì)的原子以及組成它們的電子、質(zhì)子和中子等粒子的運動也具有波的屬性。波動性已成為物質(zhì)運動的一個基本屬性，那種僅僅把波動理解為某種媒介物質(zhì)的力學振動的狹隘觀點已完全被打破。然而人們的認知仍在繼續(xù)發(fā)展，到20世紀中期以后，人們又逐漸認識到真空并非是絕對的空，那里存在著不斷的漲落過程[虛粒子的產(chǎn)生以及隨后的湮沒，這種真空漲落是相互作用著的場的一種量子效應。量子效應是在超低溫等某些特殊條件下，由大量粒子組成的宏觀系統(tǒng)呈現(xiàn)出的整體量子現(xiàn)象。而量子系統(tǒng)是其微觀粒子呈現(xiàn)出波動性的系統(tǒng)。表現(xiàn)出顯著量子效應的量子系統(tǒng)稱為簡并（退化）的系統(tǒng)，相應的特征溫度稱為簡并溫度（退化溫度）]。

1905年愛因斯坦指出：阿爾伯特·邁克爾遜和愛德華·莫雷實驗說明關于“以太”的整個概念是多余的，光速是不變的，而牛頓的絕對時空觀念是錯誤的。不存在絕對靜止的參照物，時間測量也是隨參照系不同而不同。他用光速不變和相對性原理重新導出洛倫茲變換，創(chuàng)立了狹義相對論。

知識拓展2

洛倫茲變換

洛倫茲變換是觀測者在不同慣性參照系之間對物理量進行測量時所進行的轉換關系，即不同慣性系中的物理定律在洛倫茲變換下數(shù)學形式不變，在數(shù)學上表現(xiàn)為一套方程組。洛倫茲變換因其創(chuàng)立者——荷蘭物理學家亨德里克·洛倫茲而得名。洛倫茲變換最初用來調(diào)和19世紀建立起來的經(jīng)典電動力學同牛頓力學之間的矛盾，它反映了空間和時間的密切聯(lián)系，后來成為狹義相對論的數(shù)學基礎。

狹義相對論是建立在四維時空觀上的一個理論，因此要弄清相對論的內(nèi)容，先要對相對論的時空觀有個大體了解。在數(shù)學上有各種多維空間，但目前為止，我們認識的物理世界只是四維，即三維空間加一維時間。四維時空是構成真實世界的最低維度，我們的世界恰好是四維，至于高維真實空間，至少現(xiàn)在我們還無法感知。如一把尺子在三維空間里（不含時間）轉動，其長度不變，但旋轉它時，它的各坐標值均發(fā)生了變化，且坐標之間是有聯(lián)系的。四維時空的意義就是時間是第四維坐標，它與空間坐標是有聯(lián)系的，也就是說時空是統(tǒng)一的、不可分割的整體，它們存在一種“此消彼長”的關系。

同時，由質(zhì)能方程（E=mc2）我們可以知道，質(zhì)量和能量實際上是一回事，質(zhì)量（或能量）并不是獨立的，而是與運動狀態(tài)有關的，如速度越大質(zhì)量也就越大，而在我們的自然世界中沒有絕對靜止的物體。

在四維時空里，質(zhì)量（或能量）實際是四維動量的第四維分量，動量是描述物質(zhì)運動的量，因此質(zhì)量與運動狀態(tài)有關就是理所當然的了。在四維時空里，動量和能量實現(xiàn)了統(tǒng)一，稱為能量動量四矢。另外在四維時空里還定義了四維速度、四維加速度、四維力、電磁場方程組的四維形式等。值得一提的是，電磁場方程組的四維形式更加完美，完全統(tǒng)一了電和磁，電場和磁場用一個統(tǒng)一的電磁場張量來描述。四維時空的物理定律比三維定律更完美地解釋了我們生活的這個宇宙，這說明我們的世界的確是四維的。正是因為它完美的解釋才讓我們不再懷疑它的正確性。這一切都說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯(lián)系。在下面談到廣義相對論時我們還會看到，時空與能量動量四矢之間也存在深刻的聯(lián)系。

知識拓展3

動量守恒

動量守恒與能量守恒定律以及角動量守恒定律被稱為現(xiàn)代物理學中的三大基本守恒定律，也是最早發(fā)現(xiàn)的一條守恒定律。它的定義是：一個系統(tǒng)不受外力或所受外力的矢量和為零，那么這個系統(tǒng)的總動量保持不變，這個結論叫作動量守恒定律。動量守恒定律是自然界中最重要、最普遍的守恒定律之一，它既適用于宏觀物體，也適用于微觀粒子；既適用于低速運動物體，也適用于高速運動物體；它既適用于保守系統(tǒng)，也適用于非保守系統(tǒng)。

原理與效應

沒有不運動的物質(zhì)，也沒有無物質(zhì)的運動，由于物質(zhì)是在相互聯(lián)系、相互作用中運動的，因此，必須在物質(zhì)的相互關系中描述運動，而不可能孤立地描述運動。也就是說，運動必須有一個參考物，這個參考物就是參考系。

伽利略曾經(jīng)指出，運動的船與靜止的船上的運動不可區(qū)分，也就是說，當你在封閉的船艙里與外界完全隔絕時，即使你擁有最發(fā)達的頭腦、最先進的儀器，也無從感知你的船是勻速運動還是靜止的，更無從感知速度的大小，因為沒有參考物。愛因斯坦將其引用，作為狹義相對論的第一個基本原理：狹義相對性原理。其內(nèi)容是：慣性系之間完全等價，也就是說，一切物質(zhì)都潛藏著質(zhì)量乘以光速的平方的能量。一個靜止的物體，其全部的能量都包含在靜止的質(zhì)量中。一旦運動，就要產(chǎn)生動能。由于質(zhì)量和能量等價，運動中所具有的能量應加到質(zhì)量上，也就是說，運動的物體的質(zhì)量會增加。

當物體的運動速度遠低于光速時，增加的質(zhì)量微乎其微，如速度達到光速的十分之一時，質(zhì)量只增加0.5%，但隨著速度接近光速，其增加的質(zhì)量就非常明顯了。如速度達到光速的十分之九時，其質(zhì)量增加了1倍多，這時，物體繼續(xù)加速就需要更多的能量。當速度趨近光速時，質(zhì)量隨著速度的增加而直線上升，速度無限接近光速時，質(zhì)量趨向于無限大，需要無限多的能量。邁克爾遜—莫雷實驗徹底否定了光的以太學說，得出了光與參考系無關的結論。即無論你站在地上，還是站在飛奔的火車上，測得的光速都是一樣的，這就是狹義相對論的第二個基本原理：光速不變原理。

由上述兩條基本原理可以直接推導出相對論的坐標變換式、速度變換式等所有的狹義相對論內(nèi)容。速度變換與傳統(tǒng)的法則相矛盾，但它的正確性已經(jīng)被粒子物理學的無數(shù)次實驗證明是無可挑剔的，因為無論在哪個參考系，光速都是不變的。正因為光的這一獨特性質(zhì)，所以被選為四維時空的唯一標尺。

由于愛因斯坦提出的假說否定了伽利略變換，因此需要尋找一個滿足相對論基本原理的變換式。愛因斯坦導出了這個變換式，因為這個變換式不過是愛因斯坦賦予了洛倫茲方程一些新的物理內(nèi)容得到的，所以人們一般稱它為洛倫茲變換式。

知識拓展4

粒子物理學

粒子物理學，又稱為高能物理學，它是研究比原子核更深層次的微觀世界中物質(zhì)的結構、性質(zhì)，以及在很高能量下這些物質(zhì)相互轉化及其產(chǎn)生的原因和規(guī)律的物理學分支。粒子物理學同時又是粒子量子化的粒子物理的大統(tǒng)一。粒子物理學到目前為止有三個主要階段：

第一階段，可追溯到英國物理學家湯姆森1897年發(fā)現(xiàn)第一個基本粒子——電子。1932年J．查德威克在用α粒子轟擊原子核的實驗中發(fā)現(xiàn)了中子，隨即人們認識到原子核是由質(zhì)子和中子構成的，從而形成所有物質(zhì)都是由基本的結構單元——質(zhì)子、中子、電子構成的世界圖像。量子力學理論也是在這個階段建立起來的，這是微觀粒子運動普遍遵從的基本規(guī)律。

第二階段，以1937年在宇宙射線中發(fā)現(xiàn)了μ介子作為開始的標志。在此階段中，證實了不單電子，所有的粒子，都有它的反粒子。這個階段理論上最重要的進展是量子場論和重正化理論（重正化是量子場論中一套處理發(fā)散的方法。量子場論認為，物質(zhì)世界的基本運動規(guī)律由基本粒子的拉格朗日量決定。在忽略相互作用的時候，拉格朗日量中會包含一些對應可觀測量的參數(shù)）的建立，以及相互作用中對稱性質(zhì)的研究。

第三階段，以提出強子結構的夸克模型為標志。這一階段理論上最重要的進展是建立電弱統(tǒng)一理論和強相互作用研究的進展，在粒子物理學的深層次探索活動中，粒子加速器、探測手段、數(shù)據(jù)記錄和處理以及計算技術的應用不斷發(fā)展，既帶來粒子物理本身的進展，也促進整個科學技術的發(fā)展，粒子物理所取得的豐碩成果已經(jīng)在宇宙演化的研究中起著重要的作用。

根據(jù)狹義相對性原理，在同一個慣性系中，存在統(tǒng)一的時間，稱為同時性。而相對論證明，在不同的慣性系中無法形成統(tǒng)一的同時性，也就是兩個事件（時空點）在一個慣性系內(nèi)同時，在另一個慣性系內(nèi)就可能不同時，這就是同時的相對性。在慣性系中，同一物理過程的時間進程是完全相同的，如果用同一物理過程來度量時間，就可在整個慣性系中得到統(tǒng)一的時間。

知識拓展5

等價原理對于物理學的意義

等價原理，是經(jīng)典物理學建立的基礎，也是整個廣義相對論的核心。

伽利略變換的等價原理認為“力在任何慣性系中都是等價的”。某一物體的運動狀態(tài)在不同的慣性系中是不一樣的，但它運動狀態(tài)的變化所顯示的力在任何慣性系中都是一樣的，也就是力在任何慣性系中都是等價的。牛頓根據(jù)伽利略變換的等價原理建立了三大力學理論，為科學發(fā)展奠定了基礎。在經(jīng)典力學里，等價的還有物體質(zhì)量、時間、加速度和速度的增量。而愛因斯坦假設光速在任何慣性系中是一樣的且物體運動在任何慣性系中是等價的，質(zhì)能等價理論是愛因斯坦狹義相對論的重要推論。

狹義相對論導出了不同慣性系之間時間進度的關系，發(fā)現(xiàn)運動的慣性系時間進度慢，這就是所謂的鐘慢效應。可以通俗地理解為，運動的時鐘比靜止的時鐘走得慢，而且，運動速度越快，鐘走得越慢，接近光速時，鐘就幾乎停止了。

知識拓展6

雙生子佯謬

有一對雙胞胎兄弟，其中一個乘宇宙飛船做太空旅行，而另一個則留在地球。結果當旅行者回到地球后，我們發(fā)現(xiàn)他比留在地球的兄弟年輕，這個結果是由狹義相對論所推測出的（移動時鐘的時間膨脹現(xiàn)象）。但如果我們站在宇宙飛船上的兄弟的角度去想這個問題，就會有一個矛盾的結果，旅行者在宇宙飛船中會看到地球是以高速離他而去，然后又高速回來。事實上，狹義相對論只有在慣性系中才對所有觀測者（沒有進行加速運動的觀測者）有同等的意義。宇宙飛船在旅途中毫無疑問至少是加速過一次的，所以旅行者并不是在慣性系中。所以，一定是那個高速旅行者更年輕。

尺子的長度就是在一慣性系中“同時”得到的兩個端點的坐標值的差。由于“同時”的相對性，不同慣性系中測量的長度也不同。相對論證明，在尺子長度方向上運動的尺子比靜止的尺子短，這就是所謂的尺縮效應，當速度接近光速時，尺子縮成一個點。由以上敘述可知，鐘慢和尺縮的原理就是時間進度有相對性。也就是說，時間進度與參考系有關，這就從根本上否定了牛頓的絕對時空觀。

知識拓展7

絕對時空觀

絕對時空觀認為時間和空間是兩個獨立的觀念，彼此之間沒有聯(lián)系，分別具有絕對性，也就是說時間與空間的度量與慣性參照系的運動狀態(tài)無關，這是一種在低速運動下的經(jīng)驗總結。

狹義相對論的影響

狹義相對論建立以后，對物理學起到了巨大的推動作用，并且深入到量子力學的范圍，成為研究高速粒子不可缺少的理論，而且取得了豐碩的成果，然而在成功的背后，卻有兩個原則性問題沒有解決。

第一個問題是慣性系引起的困難。拋棄了絕對時空后，慣性系成了無法定義的概念，我們可以說慣性系是慣性定律在其中成立的參考系。慣性定律實質(zhì)是一個不受外力的物體保持靜止或勻速直線運動的狀態(tài)。然而真的存在不受外力這種情況嗎？我們只能說，不受外力是指一個物體可以在慣性系中靜止或勻速直線運動。這樣，慣性系的定義就陷入了這樣一個死循環(huán)，這樣的定義是無用的。我們總能找到非常近似的慣性系，但宇宙中卻不存在真正的慣性系，這就使得整個理論像建在沙灘上一樣。

第二個問題是萬有引力引起的困難。萬有引力定律與絕對時空緊密相連，這就需要進行修正，但將其修改為洛倫茲變換下形式不變的任何想法都以失敗告終，萬有引力無法納入狹義相對論的框架，這就使得狹義相對性原理“物理規(guī)律在所有慣性系中都具有相同的形式”不成立。愛因斯坦只用了幾個星期就建立起了狹義相對論，然而為解決上面所說的困難，建立廣義相對論卻用了整整十年時間。為解決第一個問題，愛因斯坦干脆取消了慣性系在理論中的特殊地位，把相對性原理推廣到非慣性系，因此第一個問題轉化為非慣性系的時空結構問題。在非慣性系中遇到的第一只攔路虎就是慣性力，他在深入研究了慣性力后，提出了著名的等效原理，發(fā)現(xiàn)參考系問題有可能和引力問題一并解決。幾經(jīng)曲折，愛因斯坦終于建立了完整的廣義相對論。廣義相對論讓所有物理學家大吃一驚，引力遠比想象中的復雜得多。至今為止，愛因斯坦的場方程也只得到了為數(shù)不多的幾個確定解，但它那優(yōu)美的數(shù)學形式卻令物理學家們嘆為觀止。就在廣義相對論取得巨大成就的同時，由哥本哈根學派創(chuàng)立并發(fā)展的量子力學也取得了重大突破。然而物理學家們很快發(fā)現(xiàn)兩大理論并不相容，至少有一個需要修改。于是引發(fā)了那場著名的論戰(zhàn)：愛因斯坦VS哥本哈根學派。直到現(xiàn)在爭論還沒有停止，只是越來越多的物理學家更傾向于量子理論。

廣義相對論建立后，愛因斯坦在后來近40年的時間里都用來探索統(tǒng)一場論，試圖把引力和電磁力統(tǒng)一起來，以完成物理學的完全統(tǒng)一。剛開始的幾年他十分樂觀，以為勝券在握，后來發(fā)現(xiàn)困難重重。當時的大部分物理學家并不看好他的工作，因此他的處境十分孤立。雖然他始終沒有取得突破性的進展，不過他的努力為物理學家們指明了方向：建立包含四種作用力的超統(tǒng)一理論。目前學術界公認的最有希望的候選者是超弦理論與超膜理論。

知識拓展8

庫侖定律、安培定則、法拉第電磁感應定律與麥克斯韋理論的關系

1785年，法國物理學家查爾斯·庫侖發(fā)現(xiàn)了庫侖定律。庫侖定律是電學發(fā)展史上的第一個定量規(guī)律。也就是從庫侖的這一發(fā)現(xiàn)開始，電學的研究從定性進入定量階段，這是電學史上一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)。庫侖通過實驗證明，在真空中兩個靜止點電荷之間的相互作用力與距離平方成反比，與電量乘積成正比，作用力的方向在它們的連線上，同性電荷相斥，異性電荷相吸。庫侖定律只是描述點電荷之間的作用力，也就說，當帶電體的半徑遠小于兩者的平均距離，才可看成點電荷，對于非點電荷間的相互作用力，庫侖定律并不適用。但也不能認為當半徑無限小時作用力就無限大，因為當半徑無限小時兩電荷已經(jīng)失去了作為點電荷的前提。

在歷史上，電和磁是分別被人類發(fā)現(xiàn)和研究的，先是丹麥物理學家、化學家奧斯特在1820年發(fā)現(xiàn)了電流的磁效應，后來安培認識到磁現(xiàn)象的本質(zhì)是電流，并發(fā)現(xiàn)了它們相互作用的規(guī)律。這一規(guī)律就叫安培定則或右手螺旋定則，它明確地描述了電流和電流激發(fā)磁場的磁感線方向之間的關系。

1831年，僅上過小學的法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應現(xiàn)象，并用數(shù)學公式將其中的規(guī)律表達出來。他通過實驗發(fā)現(xiàn)，一個通電線圈的磁力雖然不能在另一個線圈中引起電流，但是當通電線圈的電流剛接通或中斷的時候，另一個線圈中的電流計指針有微小偏轉。法拉第經(jīng)過反復實驗，證實了當磁作用力發(fā)生變化時，另一個線圈中就有電流產(chǎn)生。法拉第終于用實驗揭開了電磁相互作用的秘密。根據(jù)這個實驗，1831年10月28日，法拉第發(fā)明了圓盤發(fā)電機，這個圓盤發(fā)電機結構雖然簡單，但它卻是人類制造出的第一臺發(fā)電機。我們可以用一句話來解釋電磁感應定律：放在變化磁通量中的導體，會產(chǎn)生電動勢。此電動勢稱為感應電動勢或感生電動勢，若將此導體閉合成一回路，則該電動勢會驅(qū)使電子流動，形成感應電流。

人們發(fā)現(xiàn)電現(xiàn)象、磁現(xiàn)象、電磁感應現(xiàn)象以后，又對電、磁和電磁感應現(xiàn)象進行了廣泛、深入的研究，發(fā)現(xiàn)了電磁之間的關系及其規(guī)律，形成了完整、系統(tǒng)的電磁理論。將這些規(guī)律統(tǒng)一起來的是麥克斯韋，麥克斯韋把這四個定律加以綜合，導出麥克斯韋方程組，該方程預言：變化的電磁場以波的形式向空間傳播。