经典时空观与相对论时空观

经典时空观与相对论时空观 吴绍轩 海洋资源与环境一班 2220133807 摘要 比较经典时空观与现代时空观的区别 阐述相对论时空观的主要思想 关键词 时空观 经典时空观 相对论时空观 爱因斯坦 牛顿 一 一 经典时空观经典时空观 经典力学认为时间和空间都是绝对的 同一个事件不同状态的人测量情况一样 经典力学总结了低速物体的运动规律 它反映了牛顿的绝对时空观 绝对时空观认为 时间和空间是两个独立的观念 彼此之间没有联系 分别具有绝对性 绝对时空观认为时 间与空间的度量与惯性参照系的运动状态无关 同一物体在不同惯性参照系中观察到的运 动学量 如坐标 速度 可通过伽利略变换而互相联系 这就是力学相对性原理 一切力 学规律在伽利略变换下是不变的 经典时空理论承认时间和空间的客观存在 牛顿认为时间和空间与物质及其运动无 关 时间的坐标系和空间的坐标系是完全脱离物质而独立存在的 时间间隔与空间间隔在 不同的惯性系中保持不变 即时间和空间观念与物质运动状态无关且时间和空间彼此无关 各自独立存在 自十七世纪以来 牛顿力学不断发展并取得了巨大的成就 以牛顿力学为基础建立 了天体力学 应用力学等等 从地面上的各种物体的运动 各种现代化交通工具的 及天 体的运动 都服从牛顿力学的规律 这些充分说明了牛顿力学规律的正确性 在十九世纪末 以牛顿力学为基础的经典物理理论 在解释新实验事实时遇到了困难 电磁理论的发展和十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后 绝对时空观面临着严峻的局面 按 麦克斯韦方程中存在的常数 C 4 表明电磁波在真空中沿个方向均以不变的速度 C 传播 这与伽利略相对性原理发生了矛盾 因为根据绝对时空观的经典速度合成定理 在不同惯 性系中 光的传播速度不应在各个方向均相等 似乎只有在某一特殊参考系中麦氏方程才 取标准形式 光在各个方向上均以 C 传播 人们曾引入 以太 假设 3 认为 以太 充 满宇宙空间并绝对静止 光是以 以太 介质中的波动 相应于 以太 的惯性参考系就 是那个特殊的参考系 这样 以太 就充当了 绝对空间 的角色 通过测定物体相对于 以太 的 绝对运动 所引起的 以太风 就可期望找到 以太 然而 尽管人们赋予 以太 各种各样光怪陆离的性质 仍难自圆其说 且反复实验的结果都是否定的 根本 发现不了 以太风 相反却证明了在任何惯性系中光速都是不变的 1887 年的迈克尔孙 莫雷实验可看作否定 以太 的判决性实验 这使得牛顿绝对时空观遇到了根本性的 困难 二 二 相对论时空观相对论时空观 相对论是关于时空和引力的基本理论 主要由爱因斯坦创立 分为狭义相对论 特殊相 对论 和广义相对论 一般相对论 相对论的基本假设是光速不变原理 相对性原理和等效 原理 相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱 奠定了经典物理学基础的经典力 学 不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体 相对论解决了高速运动问题 量子力 学解决了微观亚原子条件下的问题 相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的 常识性 观念 提出了 同时的相对性 四维时空 弯曲空间 等全新的概念 相对论认为同一个事件不同的人测量会得出不同的时间 就象不同的人的表上的不一 样 相对论认为 光速对于任何人是一样的 所以时间不同 经典力学则不 1905 年 爱因斯坦创立狭义相对论 1 提出了两条基本假设 1 相对性原理 物理规律在所有的惯性系中都可以表示为相同的形式 2 光速不变原理 真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为 c 并与光源运动无 关 这两条原理构成狭义相对论的基础 且从本质上改变了牛顿绝对时空观 既然按相 对性原理 一切物理规律在任何惯性系中都相同 一切惯性系都是平权的 没有哪个惯性 系更优越 这就使绝对空间的概念失去了意义 绝对时空观实际上包含着这样一个假定 存在信号传播的无限大速度 物质的相互作用是一种 瞬时超距作用 所以存在 绝对时 间 爱因斯坦摒弃了 以太 观点 取消了无限大速度的溉念 认为真空中的光速 c 是信 号传播的极限速度 这就动摇了绝对时间的基础 从而接触到了时间和空间的相对性问题 揭示了空间和时间之间某种普遍而新颖的联系 引起人类时空观的变革 爱因斯坦狭义相对论 2 时空观的基本思想可概括为 同时的相对性 根据狭义相对性原理 惯性系是完全等价的 因此 在同一个惯 性系中 存在统一的时间 称为同时性 而相对论证明 在不同的惯性系中 却没有统一 的同时性 也就是两个事件 时空点 在一个关性系内同时 在另一个惯性系内就可能不同 时 这就是同时的相对性 在惯性系中 同一物理过程的时间进程是完全相同的 如果用 同一物理过程来度量时间 就可在整个惯性系中得到统一的时间 在今后的广义相对论中 可以知道 非惯性系中 时空是不均匀的 也就是说 在同一非惯性系中 没有统一的时 间 因此不能建立统一的同时性 2 钟慢效应 相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系 发现运动的惯性系时间 进度慢 这就是所谓的钟慢效应 可以通俗的理解为 运动的钟比静止的钟走得慢 而且 运动速度越快 钟走的越慢 接近光速时 钟就几乎停止了 3 尺缩效应 尺子的长度就是在一惯性系中 同时中测量的长度也不同 相对论证明 在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短 这就是所谓的尺缩效应 当速度接近光速 时 尺子缩成一个点 4 运动物体质量增大 相对论根据质能公式将运动动能折算成质量的一种思维方式 通常物质停止运动一定要将原来运动所具有的动能全部释放出去 所以说物质的静止质量 是不变的 但是如果物质由运动静止 并没有向环境释放任何形式的能量 那么物质的动 能就被固化了 也就变成为质量 从而质量增大了 爱因斯坦狭义相对论的时空观可概括为 1 两个时间在不同的惯性系看来 它们的空间关系是相对的 时间关系也是相对的 时 空不互相独立 而是不可分割的整体 只有将空间和时间联系在一起才有意义 2 有物质才有空间和时间 空间和时间与物质运动状态有关 3 光速 c 时建立不同惯性系间时空变换的纽带 总之 爱因斯坦关于同时的相对性 运动的时钟变慢 运动的空间收缩和运动的质 量变大这四个观点已经彻底颠覆了牛顿的绝对时空观念 而爱因斯坦在把狭义相对论加以 发展 将引力也纳入考虑之中建立起来的广义相对论引入的四个原理让我们对时空有了新 的认识 其广义相对性原理如下 一是等效原理既在加速运动的场所观测出现的惯性力在 本质上与引力没有区别 如在下落的箱子中 引力被惯性力完全抵消 引力滑失 这就是 等效原理 二是引力使光线弯曲 因为光在运动时有质量 所以也受到万有引力作用 因 此光线在地球或太阳附近发生了弯曲 这可以通过日全食时对隐藏在太阳后面星体的观测 得到证明 黑洞也是光线弯曲或受到引力作用的一个证明 5 三是引力使空间发生弯曲 质量大的天体使光线弯曲 光在空间弯曲的部分也是直线行进 其结果就是在大质量的天 体附近空间发生了弯曲 或者说整个宇宙是一个卷曲的空间 四是引力使时间流动变慢 引力越强 时间流动的越慢 在引力特别强的黑洞附近的天体 离它越近 时间流动越慢 如果行进到黑洞视界 时间甚到会停止 与狭义相对论不同的是 在引力强的地点 时间 流动不是相对变慢 而是必然变慢 这一点在全球定位系统的运行中 已经得到了证明 且科学家们如果不去修正由于引力变化引起的时钟效益 卫星系统定位就不会在准确了 二者的统一性二者的统一性 无论是经典时空观或是狭义相论时空观都包含有时间是均匀的 空间是均匀和各向同 性的思想 根据都是因为共同认为物理学的规律和时间无关 或者说物学的规律与原点的 选择无关 即现在成立 将来依然成立 从而得知时间是均匀的 同样物理学的规律和空间 坐标 原点的选择 关 即此处成立 彼处也成立 即物理学规律相对于空 间坐标的平移具 有不变性 所以空间是均匀的 物理规律还和空间坐标的旋转也没有关系 即坐标框架任取 那个方向都是一样的 也就是物理学规律相对于空间坐标的旋转具有不变性 所以空间还应 采是各向同性的 上述的不变性都已被实验所证实 综合来说无论是经典时空观还是相对论时空观都对我们的现实生活起着巨大的作用 个人见解个人见解 爱因斯坦提出当物质运动速率接近光速的时候时间便几乎停止不动 这样我们就可以回 到未来 那我们可不可以这样认为 宇宙中所有物质的质量皆来源于运动 而这种运动的 基础速度远大于光速 这种速度让我们在时空中按照特定的时间发展 而我们在时空中运 动的方向并不像现在我们认识的方向一样 我们运动的方向是一种很广泛的方向 看起来 有点四面八方 但我们为什么不能达到光速呢 我觉得应该是这样 光速是一个临界速度 一旦达到光速我们就会脱离我们现在的宇宙 也就是重新进入另一个时空 在我们的宇宙 中也就再也找不到了 所以我们认为光速是宇宙的极限速度 那为什么接近光速就可以到 达未来 我认为这不难解释 我们宇宙这个整体现在运行的方向便是一种 广泛方向 也 就是说我们的四面八方都是他运动的方向 或许你会问这怎么可能 打个比方 一个二维 世界的人的思维里可以认为他们可以向四个方向运动 但是不能同时在四个方向上运动 而当平面沿其法线方向运动时 他的四周就都发生了运动 这就不难解释我们现在所说的 广泛方向 了 也就是说无论我们往哪运动都是沿着我们的基础速度的方向在运动 速 度越大我们就可以越快的来到未来 所以时间旅行也就解释的通了 总之历史在不断的发展 新的假设也在不断的产生 从经典时空观到相对论时空 从牛顿 力学到量子力学 未来一切都是未知 让时空证明这一切 参考文献参考文献 1 关小蓉 时空观的三次变革及其产生的影响 J 玉林师专学报 自然科学版 1998 3 期 44 47 2 爱因斯坦 狭义相对论 北京 商务印书馆 2010 3 爱因斯坦著 杨润殷译 狭义与广义相对论浅说 M 北京 北京大学出版社 2006 170 177 4 巴兹尔 马洪 麦克斯韦 改变一切的人 北京大学出版社 2011 07 76 77 5 基普 S 索恩 黑洞与时间弯曲 湖南科学技术出版社 2007 06 24 25 C