狭义相对论论文

狭义相对论论文（共9篇）

篇1：狭义相对论论文

【教学目标】

一、知识与技能

1、了解狭义相对论的两个基本公设，并初步了解爱因斯坦对时空的新认识。

2、知道伽利略变换与洛伦兹变换反映的时空观的不同。

3、理解同时的相对性

二、过程与方法

1、通过学习爱因斯坦提出两条假设的过程，理解实验对理论的重要作用以及爱因斯

坦的时空观。

2、通过两条假设理解同时的相对性，加深对相对论时空观的理解。

三、情感态度与价值观

（1）理解相对论的时空观，体会相对论的建立对人类认识世界的影响。

（2）学会辩证地看待经典物理理论和相对论。

【学情分析】

学习已经了建立狭义相对论中光速不变的实验基础，以及爱因斯坦的探索发现，因此学习狭义相对论的两条公设，已成顺理成章的事情。不过学习的重点和难点在于随两条公设的提出而带来的时空观的变化。

【教学思路】

因此本节教学应注意与上节知识的衔接，重视思维逻辑的连贯性，逐步建立新结论。学生在思维中有很容易回到经典时空观上去将新旧时空观混为一谈，教学中应注意强调区别。

【教学重点、难点】

1、狭义相对论的两个基本公设

2、爱因斯坦的时空观——相对论时空观

【教学方法】

问题式讨论和讲授。

【教学过程】

一、引入新课：

通过上节课的学习，我们知道：光速是与参考系无关的常量；经典物理学中的速度变换关系对电磁规律不适用，等。

对这些问题，许多物理学家试图通过在经典物理学内进行修补，仍无法解决上述矛盾。 而爱因斯坦发现问题的症结在于经典物理学的时空观，因此他摈弃了经典物理学的时空

观，根据实验事实提出了狭义相对论的两条公设，用理论研究的方法得到了狭义相对论的全部结论，当然狭义相对论建立了一种新的时空观。我们下面看看爱因斯坦是怎样思考的。

二、新课教学

篇2：狭义相对论论文

《狭义相对论》我中学就有耳闻，那时候虽然什么都不懂，只知道《狭义相对论》是很厉害的理论，也让我体会到了世界的奇妙，宇宙万物的高深，启发了我对科普知识的浓厚兴趣。

简洁来说狭义相对论有两条原理1.所有的物理定律在各个不同的惯性坐标系中都相同2.光速恒定不变E=MC2(平方)是根据这两条原理得出的，只是狭义相对论的一部分 简单的讲就是除了物理定律和光速任何物质都是相对变动的，包括时间和空间。最让我印象深刻的就是狭义相对论的时空观，它让我对物质世界的理解又到了一种层次。俗话说“覆水难收“意思是倒出去的水很难再收回来，时间也是这样，时间流逝了就很难再回来。但是爱因斯坦的相对论彻底的推翻了这些俗语，当达到光速的时候就有可能做得到穿越时空。

这些观点衍生出来了很多推论和假设，最出名和最让人感兴趣的就是双生子佯谬问题。

时钟佯谬或双生子佯谬

一对双生子A和B，A在地球上，B乘火箭去做星际旅行，经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言，二人经历的时间不同，重逢时B将比A年轻。许多人有疑问，认为A看B在运动，B看A也在运动，为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系，B要经历加速与减速过程，是变加速运动参考系，真正讨论起来非常复杂，因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了，只是要用到许多数学知识和公式。在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节，有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是，无论在哪个参考系中，B都比A年轻。为使问题简化，只讨论这种情形，火箭经过极短时间加速到亚光速，飞行一段时间后，用极短时间掉头，又飞行一段时间，用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论，火箭始终是动钟，重逢时B比A年轻。在火箭参考系内，地球在匀速过程中是动钟，时间进程比火箭内慢，但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中，地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周，到达火箭的前方很远的地方。这是一个“超光速”过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾，这种“超光速”并不能传递任何信息，不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程，火箭与地球就不能相遇，由于不同的参考系没有统一的时间，因此无法比较他们的年龄，只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后，B不能直接接受A的信息，因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是

在掉头过程中，地球的时间进度猛地加快了。在B看来，A现实比B年轻，接着在掉头时迅速衰老，返航时，A又比自己衰老的慢了。重逢时，自己仍比A年轻。也就是说，相对论不存在逻辑上的矛盾。

狭义相对论独特的见解颠覆了传统的经典力学的时空观。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，而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。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。

狭义相对论的四维时空观正是其中对狭义相对论的一个最形象典型的代表。四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，至少现在我们还无法感知。例如，一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系。

四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。

如果这些问题得到验证解决，将会对科学科技有着里程碑式的推进，将会解决现在不可以解决的问题，多维空间的确立甚至可以解决困扰人们至今灵魂学的问题。

篇3：浅谈狭义相对论

1865年以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实, 但麦克斯韦方程狭义相对论基本原理组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。究竟是麦克斯韦方程不满足相对性原理, 还是应当对麦克斯韦方程引入另一种变换?

早在电动力学麦克斯韦方程建立之日, 人们就发现它没有涉及参照系问题。人们利用经典力学的时空理论讨论电动力学方程, 发现在伽利略变换下麦克斯韦方程及其导出的方程 (如亥姆霍兹, 达朗贝尔等方程) 在不同惯性系下形式不同, 这一现象应当怎样解释?经过几十年的探索, 在1905年终于由爱因斯坦创建了狭义相对论。

二、狭义相对论的基本假设

1905年爱因斯坦提出的狭义相对论建立在下面两条基本假设的基础上。

1. 光速不变原理:

在所有相对于光源静止或做匀速直线运动的惯性系中观察, 真空中的光速都相同。换句话说, 真空中的光速C是对任何惯性参考系都使用的普适常数。

2. 狭义的相对性原理:

对于描述一切物理过程 (包括物理位置变动、电磁及原子过程) 的规律, 所有惯性系都是等价的。这里的物理过程包括光现象在内。爱因斯坦的狭义相对性原理是伽利略力学相对性原理的推广。

其中第一条假设, 使我们看到一幅与传统观念截然不同的物理图像。设想从一点光源发出一光脉冲, 如从光源在其中保持静止的参考系中观察, 波前为以光源为中心的球面;如从相对于光源做匀速直线运动的另一参考系观察, 波前将同样是以光源为中心的球面。这预示与伽利略变换不同的时空观。第二条假设将对称性推广于全部基础物理学。

三、狭义相对论诞生和发展过程

相对论是一个时空理论, 要理解狭义相对论时空理论先要了解经典时空理论的内容。爱因斯坦于1922年12月4日, 在日本京都大学作题为《我是怎样创立相对论的?》的演讲中, 说明了他关于相对论想法的产生和发展过程。他说:“关于我是怎样建立相对论概念这个问题, 不太好讲。我的思想曾受到那么多神秘而复杂的事物的启发, 每种思想的影响, 在生活幸福论概念的发展过程中的不同阶段都不一样......我第一次产生发展相对论的念头是在17年前, 我说不准这个想法来自何处, 但是我肯定, 它包含在运动物体光学性质问题中, 光通过以太海洋传播, 地球在以太中运动, 换句话说, 即以太对地球运动。我试图在物理文献中寻找以太流动的明显的实验证据, 但是没有成功。随后, 我想亲自证明以太相对地球的运动, 或者说证明地球的运动。当我首次想到这个问题的时候, 我不怀疑以太的存在或者地球通过以太的运动。”于是, 他设想了一个使用两个热电偶进行的实验:设置一些反光镜, 以使从单个光源发出的光在两个不同的方向被反射, 一束光平行于地球的运动方向且同向, 另一束光逆向而行。如果想象在两个反射光束间的能量差, 就能用两个热电偶测出产生的热量差。虽然这个实验的想法与迈克尔逊实验非常相似, 但是他没有得出结果。

爱因斯坦有机会读了洛伦兹在1895年发表的论文, 他讨论并完满解决了u/c的高次项 (u为运动物体的速度, c为光速) 。然后爱因斯坦试图假定洛伦兹电子方程在真空参照系中有效, 也应该在运动物体的参照系中有效, 去讲座菲索实验。在那时, 爱因斯坦坚信, 麦克斯韦-洛伦兹的电动力学方程是正确的。进而这些议程在运动物体参照系中有效的假设导致了光速不变的概念。然而这与经典力学中速度相加原理相违背。

为什么这两个概念互相矛盾?爱因斯坦为了解释它, 花了差不多一年的时间试图修改洛伦兹理论。一个偶然的机会。他在一个朋友的帮助下解决了这一问题。爱因斯坦去问他并交谈讨论了这个困难问题的各个方面, 突然爱因斯坦找到了解决所有的困难的办法。他说:“我在五周时间里完成了狭义相对论原理。”

爱因斯坦的理论否定了以太概念, 肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式, 并对空间、时间的概念进行了深刻的分析, 从而建立了新的时空关系。他于1905年完成的论文被世界公认为第一篇关于相对论的论文, 他则是第一位真正的相对论物理学家。

四、狭义相对论的反对者

长期以来, 狭义相对论专家总是让公众无法理解狭义相对论, 而公众却不得不把它奉为伟大真理, 这是对公众智慧的藐视和亵渎。狭义相对论已成当代科学发展的障碍。从对微观世界认知的困惑到宇宙学的混乱, 一大祸根便是狭义相对论。

狭义相对论及其包含的相对主义实证论的负面影响已渗透到了社会生活的方方面面。当前社会上封建迷信活动和伪科学如此猖獗, 与狭义相对论关系紧密。时下盛行的一些歪理邪说大多源于狭义相对论及其衍生品, 如“第4度空间”、“时间隧道”, “宇宙大爆炸”、“黑洞”等一类伪学说。例如霍金说他可以和牛顿和爱因斯坦同桌打牌、科幻电影中漂亮女孩通过时间隧道与历史上的皇帝谈情说爱等, 都是鬼神论的代表。说狭义相对论是它们的理论靠山并不为过。毋庸置疑, 狭义相对论是当代科学, 特别是基础理论发展的严重障碍。

维护与反对狭义相对论的斗争, 不仅是学术上的争论, 是科学史上的一次拨乱反正, 还是一场唯心主义与唯物主义的斗争。

综上所述, 狭义相对论建立以后, 对物理学起到了巨大的推动作用, 并且深入到量子力学的范围, 成为研究高速粒子不可缺少的理论, 取得了丰硕的成果。然而在成功的背后, 却有两个遗留下的原则性问题没有得到解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后, 惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律的实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而“不受外力”是什么意思?只能说, 不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样, 惯性系的定义就陷入了逻辑循环, 这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系, 但宇宙中却不存在真正的惯性系, 整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连, 必须修正, 但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了, 万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力, 其中一种就冒出来捣乱, 情况当然不会令人满意。

相对论入门中的例子, 更为可信的结论是:相对论主要结果是光速观测结果, 不等于物理本质, 因此它并不是错误的, 也是可以通过实验证实的, 但它不能准确描述物理本质, 是有待完善的理论, 爱因斯坦只是列错了算式;波粒二象性是波传递必须依靠的介质中的粒子表现出来的, 因此光也是普通的波, 与其他波没有本质区别。按照修正后的相对论, 与所有其他体系兼容, 且不存在悖论, 有关相对论的争议, 完全可以平息。

参考文献

[1]周世勋.量子力学教程.高等教育出版社, 2002.03.

[2]漆安慎.普通物理学.高等教育出版社, 2000.01.

篇4：正确理解狭义相对论

【关键词】狭义相对论；洛伦兹变换；双生子佯谬

狭义相对论已被科学界接受，但在对它的理解上，仍有值得讨论的地方。爱因斯坦花大量篇幅阐述“坐标系”、“方程的不变性”，实质内容是什么，始终含糊其词。人们不容易看清理论的真实意图，产生了双生子佯谬，至今未能解决，成为相对论的巨大隐患，本文指出相对论的实质性内容，消除双生子佯谬，有助于正确理解和维护相对论。

1.狭义相对论是运动学

狭义相对论是运动学，它不追究产生运动的原因。相对论速度合成法是运动学结论，一切运动，无论是匀速或加速，都要遵守。

2.洛伦兹变换不能直接测量核实

说的是两个惯性系之间测量同一事件的变换关系，两系之间速度为v，无撇的是静系，有撇的是动系。既然两系间速度为v，就无联系，是隔绝的。如果有人从静系出发，赶到动系去核实测量结果，他的速度一定大于v，已不能代表静系的观测者，所以无法核实。洛伦兹变换成为无法核实的虚拟变换，是不可测的。不允许一个系的观测者到另一系去核实测量结果，这就是隔绝的含义，于是有

结论1：洛伦兹变换不可测，相对论中惯性系间彼此隔绝。

所以，由洛伦兹变换导出的“钟慢”也不能直接测量。由于对结论1缺乏认识，出现了双生子佯谬，爱氏不能回答，回避之。后来有人宣布用广义相对论可证明乘飞船者年轻[1]，这种证明不对，本文不研究广义相对论，将在讨论广义相对论的文章中作出说明。双生子实验企图核实“钟慢”，违反惯性系间隔绝的规定，不允许作此实验，有结论

结论2：相对论中禁止提出双生子佯谬实验。

乘飞船旅行是可实现的事件，到底谁年轻，总得回答。飞船在起飞和返回阶段作加速运动，若很短暂，匀速飞行时间又很长，那么仍可在狭义相对论内讨论，不必搬到广义相对论中。地球上的人看见乘飞船者年轻，飞船上的人看见地球上的人年轻，出现矛盾，只能运用逻辑的力量，才能获得解决，答案是两人衰老程度一样，他们经历的时间一样。这样理解，捍卫了牛顿时空观，捍卫了狭义相对论。

运动钟的“钟慢”不可核实。上世纪70年代，美国学者企图核实钟慢，把两个原子钟在地面对准，一个放上飞机作环球飞行，回来后和地面原子钟对比，宣布发现时间差异，差异中包含狭义和广义相对论效应。应该注意，影响原子钟走时的因素太多，很难判断各种因素起的作用，难以肯定实验结果。若将来再作类似实验，无论结果如何，都不能证明“运动的钟慢”，只能分析其它因素对钟的影响。

3.速度合成法和质能关系成立

洛伦兹变换不可测，它的用处是导出相对论速度合成法则

速度合成法则不产生逻辑上的困难，是成立的，反映的是光速是速度极限这一论断。“坐标系”、“方程的不变性”是推导理论时使用的概念，是中间过程，不具有实质性内容，各种文献以大量篇幅阐述，模糊了相对论的核心思想。现在指出，相对论的核心思想是它的速度合成法，相对论效应就是速度效应。绝不是在这里作概念游戏，从速度出发理解爱氏理论，有助于正确理解和应用相对论。

结论3：相对论的核心思想是它的速度合成法。

与速度合成有密切关系，也成立。设想有一威力强大的火箭，加速到接近光速，受速度合成限制，无法达到光速，发动机在工作，提供能量，能量只好转化为质量，保证不达光速。此设想表明质能关系与速度合成密切相关，相对论效应就是速度效应。

4.空间论

通常说法是相对论建立新的时空观，否定了牛顿时空观。

洛伦兹变换不可测，有虚拟性质，很难说它建立起新时空观。如果物体不动，洛伦兹变换退化成伽利略变换，时空仍是牛顿的。相对论时空畸变，是在牛顿时空框架内观测到的，牛顿时空起到基础作用，不能否定。前面宣布双生子见面时衰老程度一样，其实是在捍卫牛顿时空。相对论归结为速度效应，速度是一维空间概念，现实空间是三维，从这点上看，也不宜说相对论建立了新的时空观。

罗巴切夫斯基几何建立后，数学家欢欣鼓舞，似乎空间真的弯曲了。他们忽略了这一事实，即罗几何是二维的，没有三维罗几何。所以，三维空间弯曲无从谈起。有很多作者把相对论植根于罗几何，取得成功。既然罗几何是二维，那么相对论也是二维的了，它不可能成为三维空间论。牛顿质朴的时空观具有坚实的基础，应该维护它。

5.结论

简明地说，相对论谈的就是光速c是速度的极限，要想不超过c，必须由速度合成法保证，速度合成法又由洛伦兹变换导出，这些话概括了相对论的全部内容，爱氏的工作到此为止。然而，这是不够的，还要作补充规定，本文的洛伦兹变换不可测和惯性系隔离就是补充规定。双生子佯谬是重大隐患，本文明确回答，双生子重新见面，两人衰老程度一样。

流行的说法是相对论否定了牛顿时空，牛顿时空错，相对论时空对。这种说法欠妥，相对论没有建立新时空理论，它揭示的是速度效应，在今天看来，牛顿时空仍然是可信的，没有理由去贬低它。

参考文献

[1]哈里斯，现代理论物理导论（第一卷），上海科学技术出版社，1984.

篇5：狭义相对论论文

印象派绘画与狭义相对论物理学比较研究

从大约19世纪后期到20世纪初,绘画中的印象派反思了“眼的所见”与“脑的`所知”之间的异同;狭义相对论则反思了“眼可观察的相对时空”与“脑抽象出来的绝对时空”之间的关系.它们都是对可观察的“所见”与抽象的“所知”之间关系的古典形式(概念)的最后探索,同时又都是通向现代形式(概念)最早的启蒙者.在科学、艺术这二大文化中出现的这两种探索,可以看成是对“人”这一认识主体在认识论中作用的哲学探索的巨大进步.

作 者：杨正瓴 杨正颖 王凤梅  作者单位：杨正瓴,王凤梅(天津大学自动化学院,)

杨正颖(天津铁厂一中河北,)

刊 名：天津大学学报(社会科学版)  CSSCI英文刊名：JOURNAL OF TIANJIN UNIVERSITY(SOCIAL SCIENCES) 年，卷(期)： 3(4) 分类号：G04 J0-03 O412.1 关键词：科学   艺术   印象派绘画   狭义相对论   古典思想   启蒙者  

篇6：广义相对论课件

物理应用

引力透镜

爱因斯坦十字：同一个天体在引力透镜效应下的四个成像

引力场中光线的偏折效应是一类新的天文现象的原因。当观测者与遥远的观测天体之间

还存在有一个大质量天体，当观测天体的质量和相对距离合适时观测者会看到多个扭曲的天体成像，这种效应被称作引力透镜。受系统结构、尺寸和质量分布的影响，成像可以是多个，甚至可以形成被称作*因斯坦环的圆环，或者圆环的一部分弧。最早的引力透镜效应是在1979年发现的，至今已经发现了超过一百个引力透镜。即使这些成像彼此非常接近以至于无法分辨——这种情形被称作微引力透镜——这种效应仍然可通过观测总光强变化测量到，很多微引力透镜也已经被发现。

引力波

艺术家的构想图：激光空间干涉引力波探测器LISA对脉冲双星的观测是间接证实引力波存在的有力证据(参见上文轨道衰减一节)。已经有相当数量的地面引力波探测器投入运行，最著名的是GEO600、LIGO(包括三架激光干涉引力波探测器)、TAMA300和VIRGO;而美国和欧洲合作的空间激光干涉探测器LISA正处于开发阶段，其先行测试计划LISA探路者(LISAPathfinder)于底之前正式发射升空。

美国科研人员2月11日宣布，他们利用激光干涉引力波天文台(LIGO)于去年9月首次探测到引力波。 研究人员宣布，当两个黑洞于约13亿年前碰撞，两个巨大质量结合所传送出的扰动，于9月14日抵达地球，被地球上的精密仪器侦测到。证实了爱因斯坦1前所做的预测。

对引力波的探测将在很大程度上扩展基于电磁波观测的传统观测天文学的视野，人们能够通过探测到的引力波信号了解到其波源的信息。这些从未被真正了解过的信息可能来自于 黑洞、中子星或 白矮星等致密星体，可能来自于某些 超新星爆发，甚至可能来自宇宙诞生极早期的暴涨时代的某些烙印，例如假想的 宇宙弦。

黑洞和其它

基于广义相对论理论的计算机模拟一颗恒星坍缩为黑洞并释放出引力波的过程广义相对论预言了黑洞的存在，即当一个星体足够致密时，其引力使得时空中的一块区域极端扭曲以至于光都无法逸出。在当前被广为接受的恒星演化模型中，一般认为大质量恒星演化的最终阶段的情形包括1.4倍左右太阳质量的恒星演化为中子星，而数倍至几十倍太阳质量的恒星演化为恒星质量黑洞。具有几百万倍至几十亿倍太阳质量的超大质量黑洞被认为定律性地存在于每个星系的中心，一般认为它们的存在对于星系及更大的宇宙尺度结构的形成具有重要作用。

在天文学上 致密星体的最重要属性之一是它们能够极有效率地将引力能量转换为电磁辐射。恒星质量黑洞或超大质量黑洞对 星际气体和尘埃的吸积过程被认为是某些非常明亮的`天体的形成机制，著名且多样的例子包括星系尺度的 活动星系核以及恒星尺度的 微类星体。在某些特定场合下吸积过程会在这些天体中激发强度极强的相对论性 喷流，这是一种喷射速度可接近光速的且方向性极强的高能等离子束。在对这些现象进行建立模型的过程中广义相对论都起到了关键作用，而实验观测也为支持黑洞的存在以及广义相对论做出的种种预言提供了有力证据。

黑洞也是引力波探测的重要目标之一：黑洞双星的合并过程可能会辐射出能够被地球上的探测器接收到的某些最强的引力波信号，并且在双星合并前的啁啾信号可以被当作一种“标准烛光”从而来推测合并时的距离，并进一步成为在大尺度上探测宇宙膨胀的一种手段。而恒星质量黑洞等小质量致密星体落入超大质量黑洞的这一过程所辐射的引力波能够直接并完整地还原超大质量黑洞周围的时空几何信息。

宇宙学

威尔金森微波各向异性探测器(WMAP)拍摄的全天微波背景辐射的温度涨落现代的宇宙模型是基于带有宇宙常数的爱因斯坦场方程建立的，宇宙常数的值对大尺度的宇宙动力学有着重要影响。

这个经修改的爱因斯坦场方程具有一个各向同性并均匀的解：弗里德曼-勒梅特-罗伯逊-沃尔克度规，在这个解的基础上物理学家建立了从一百四十亿年前炽热的 大爆炸中演化而来的 宇宙模型。只要能够将这个模型中为数不多的几个参数(例如宇宙的物质平均密度)通过天文观测加以确定，人们就能从进一步得到的实验数据检验这个模型的正确性。这个模型的很多预言都是成功的，这包括太初核合成时期形成的化学元素初始丰度、宇宙的大尺度结构以及早期的宇宙温度在今天留下的“回音”：宇宙微波背景辐射。

从天文学观测得到的宇宙膨胀速率可以进一步估算出宇宙中存在的物质总量，不过有关宇宙中物质的本性还是一个有待解决的问题。估计宇宙中大约有90%以上的物质都属于暗物质，它们具有质量(即参与引力相互作用)，但不参与电磁相互作用，即它们无法(通过电磁波)直接观测到。在已知的粒子物理或其他什么理论的框架中还没有办法对这种物质做出令人满意的

描述。另外，对遥远的超新星红移的观测以及对宇宙微波背景辐射的测量显示，我们的宇宙的演化过程在很大程度上受宇宙常数值的影响，而正是宇宙常数的值决定了宇宙的加速膨胀。换句话说，宇宙的加速膨胀是由具有非通常意义下的状态方程的某种能量形式决定的，这种能量被称作 暗能量，其本性也仍然不为所知。

在所谓暴涨模型中，宇宙曾在诞生的极早期(～10-33秒)经历了剧烈的加速膨胀过程。这个在于二十世纪八十年代提出的假说是由于某些令人困惑并且用经典宇宙学无法解释的观测结果而提出的，例如宇宙微波背景辐射的高度各向同性，而对微波背景辐射各向异性的观测结果是支持暴涨模型的证据之一。然而，暴涨的可能的方式也是多样的，现今的观测还无法对此作出约束。一个更大的课题是关于极早期宇宙的物理学的，这涉及到发生在暴涨之前的、由经典宇宙学模型预言的大爆炸奇点。对此比较有权威性的意见是这个问题需要由一个完备的 量子引力理论来解答，而这个理论至今还没有建立(参加下文量子引力)。

量子理论

如果说广义相对论是现代物理学的两大支柱之一，那么量子理论作为我们借此了解基本粒子以及凝聚态物理的基础理论就是现代物理的另一支柱。然而，如何将量子理论中的概念应用到广义相对论的框架中仍然是一个未能解决的问题。 [11]

量子场论

作为现代物理中 粒子物理学的基础，通常意义上的 量子场论是建立在平直的闵可夫斯基时空中的，这对于处在像地球这样的弱引力场中的微观粒子的描述而言是一个非常好的近似。而在某些情形中，引力场的强度足以影响到其中的量子化的物质但不足以要求引力场本身也被 量子化，为此物理学家发展了弯曲时空中的量子场论。这些理论借助于经典的广义相对论来描述弯曲的背景时空，并定义了广义化的弯曲时空中的量子场理论。通过这种理论，可以证明黑洞也在通过黑体辐射释放出粒子，这即是霍金辐射，并有可能通过这种机制导致黑洞最终蒸发。如前文所述， 霍金辐射在 黑洞热力学的研究中起到了关键作用。 [12]

量子引力

物质的量子化描述和时空的几何化描述之间彼此不具有相容性，以及广义相对论中时空曲率无限大(意味着其结构成为微观尺度)的奇点的出现，这些都要求着一个完整的量子引力理论的建立。这个理论需要能够对黑洞内部以及极早期宇宙的情形做出充分的描述，而其中的引力和相关的时空几何需要用量子化的语言来叙述。尽管物理学家为此做出了很多努力，并有多个有潜质的候选理论已经发展起来，至今人类还没能得到一个称得上完整并自洽的量子引力理论。

一个 卡拉比-丘流形的投影，由 弦理论所提出的紧化额外维度的一种方法量子场论作为粒子物理的基础已经能够描述除引力外的其余三种基本相互作用，但试图将引力概括到量子场论的框架中的尝试却遇到了严重的问题。在低能区域这种尝试取得了成功，其结果是一个可被接受的引力的有效(量子)场理论，但在高能区域得到的模型是发散的(不可 重整化)。

圈量子引力中的一个简单自旋网络

试图克服这些限制的尝试性理论之一是 弦论，在这种量子理论中研究的最基本单位不再是点状粒子，而是一维的弦。弦论有可能成为能够描述所有粒子和包括引力在内的基本相互作用的 大统一理论，其代价是导致了在三维空间的基础上生成六维的额外维度等反常特性。在所谓第二次超弦理论革新中，人们猜测 超弦理论，以及广义相对论与 超对称的统一即所谓 超引力，能够构成一个猜想的十一维模型的一部分，这种模型叫做M理论，它被认为能够建立一个具有唯一性定义且自洽的量子引力理论。

篇7：相对论高三作文

或许在很久以前的时候，我们从未想过真正在另外一座城市上扎根生活，我们只是想着能够到其他的远方去看看风景，去经历一下那些我们从未体会过的生活。可是后来发现，原来在这个世界上还可以和其他人其他事情产生一种莫名其妙的牵绊，就好像在看《阿凡达》电影当中的那张羁绊一般。

也许在我们能够看到的角落当中有那么多的人和事物都是让人难以期待的，可是即便如此，我们仍然要对这个世界饱含着热情与乐观的心态。我们从来都不知道下一秒会发生什么样的事情，但是却可以知道自己能够做出怎样的抉择和选择，也许你总是会觉得其他外界的事情会干扰你的决定，会改变你人生的生命轨迹，可实际上更多时候掌握你自己人生道路的还是你自己。

身边有一些人，他们很喜欢道教和佛教，他们觉得在这两个大教派别中有很多东西都是值得去深究的证，好像他们即便是并不是那么强烈的去了解，但仍然愿意把它当成一个噱头去社交。

可是我却对这些东西并不感兴趣，所以对他们也并不感兴趣，尤其是这种噱头更是让人有一些反感。

假如在生活当中我们能够一眼就看清楚事情的`真相，那么也不会有那么多的烦恼，也恰恰是因为如此，生活才有了更多的乐趣存在，因为开心和悲伤始终都是相对的，两个过程，如果没有悲伤的存在，那么开心又如何去定义呢?

然后相对论这个东西确实是很妙的。

篇8：狭义相对论若干瑕疵之探讨

关键词：狭义相对论,长度收缩,相对性原理,相对论多普勒效应

一、引言

相对论创立迄今已经100 余年[1], 作为一个突破经典物理学框架束缚的新理论, 相对论以前所未有的时钟变慢、长度收缩、质量不守恒、光速极限、空间弯曲等等一系列新颖奇特的理论结果而彻底颠覆了经典物理学的传统思维[2~3]。相对论从其诞生后不久, 就受到主流物理学界的推崇, 其中的某些理论预言在一定程度上也得到了验证[4~5]。

然而, 相对论在取得巨大成功的同时, 也存在着某些隐忧。作为一种没有完全被实验所验证的理论体系, 相对论从诞生之日起, 也不断受到质疑。从物理学大师、诺贝尔奖得主, 到普通物理学工作者乃至业余爱好者, 不断有人发出不同的声音[6~7]。本文经过理论推导, 发现了狭义相对论中几个不合理的地方, 并就此不足方面依次进行分析与讨论。

二、长度收缩过程中点的平移

根据洛伦兹变换,

得到:

为了简单起见, 这里只考虑t=0的时刻, 则有:

这个时刻静系K和动系K'的坐标原点重合, 如图1 所示。

这时若取K'系上一点A'位于坐标原点x'A= 0, 则根据 ( 3) 式, xA= 0, 在K系看来, 该点也位于K系的坐标原点, 即A点与A'点重合, 见图1 ( a) 。

这样看来, K系上的每一个点相对于K'系上的对应点将朝着坐标原点发生平移, 平移距离的大小与其横坐标| x' | 的大小有关, x' = 0 则无平移, | x' | 越大则平移量越大。然而, 对于某一特定点来说, 其坐标值x'的大小与坐标原点的选取有关, 而坐标原点是可以人为任意选定的, 随着坐标原点选取位置的不同, K系上的点将朝着不同的位置移动。例如, 坐标原点选在A'点, 则A点不动, B点向A点平移; 若坐标原点选在A'、B'之间, 则A、B点都向中间位置平移。这种平移方向和大小由人为任意选定的坐标原点所决定的现象是合理的吗?

对于K'系中一个有一定长度的杆A'B', 见图1 ( b) , 在K系看来, 不但长度发生了收缩, 其整体位置也向坐标原点发生了移动。若杆AB在X轴正半轴上, AB向左平移, 若杆A'B'在X'轴负半轴上, 则AB向右平移, 且A' B' 离原点越远, 平移量越大。一个极端的情况是, 若K'的运动速度达到光速即v = c, 则K' 系中所有的沿X' 轴放置的杆, 在K系看来, 不但长度都收缩为0, 并且都将全部被压缩到坐标原点。坐标原点是人为任意选定的, 那么这些现象是合理的吗?

设有一个在绝对零度下处于平衡状态的金属棒, 现将其加热到一个很高的温度, 那么金属体内部的自由电子将发生强烈的热运动 ( 金属晶格的运动可以忽略不计) 。由于高速的热运动, 自由电子将发生空间收缩, 不但电子本身体积收缩, 而且电子之间的间距也将减小。事实上, 根据公式 ( 3) , 自由电子同时还将朝着坐标原点发生平移。参见图2 ( 图中忽略了Y方向和Z方向的长度收缩) , 当金属体位于坐标原点右边时, 自由电子将向左平移, 金属体将右端带正电, 左端带负电; 当金属体位于坐标原点左边时, 自由电子将向右平移, 金属体将左端带正电, 右端带负电; 当金属体位于坐标原点时, 自由电子将仅向金属体内部发生收缩, 而不发生平移, 金属体两端带正电, 中部带负电。这种金属体的电学性质随人为设定的坐标原点位置的改变而变化的现象是不是合理的呢?进而如果去掉坐标系, 那么我们就完全无法判断自由电子将朝着哪个方向平移, 平移距离有多大, 还是仅仅向金属中心收缩。这是不是很奇怪呢? 伴随着长度收缩而发生的这些看起来不合理的平移无疑让人感觉到迷惑和无所适从。

三、电磁场的相对论变换

假设在一处空间存在一均匀的磁场B, 方向向上。在一个静止的观察者K看来, 仅有静磁场存在, 即By> 0, Bx= Bz= 0, E = 0, 见图3 左。

另有一个观察者K'相对于观察者K以速度v运动 ( 沿K的X轴正方向) 。则在K'看来, 不但存在磁场, 而且同时也存在电场 ( 见图3 右) 。根据狭义相对论的电磁场变换公式[8]可以算得:

而E'、B'的其余分量均为0。这里可以看到, 根据相对论理论, 运动状态不同的观察者会看到不同的电磁场形态。

现在设想两个观察者运动状态不变, 而禁止K与K'之间的信息传递, 并没收K'的原有计算结果, 那么这时候K'想要知道电磁场的大小, 则将不能通过公式 ( 4) 来进行计算, 而必须依靠实际测量来获取。

那么让我们来实现一次测量过程。设想K左手拿着一个小磁针, 右手拿着一个带电小球, 那么他的左手将感受到磁力的作用, 右手则不受到作用力 ( 带电小球相对于K静止, 没有洛伦兹力) , K可以根据左手小磁针的偏转程度来测得磁场B的大小。设想K'的左右手拿着与K完全相同的小磁针和带电小球, 那么K'的左手将感受到磁场力的作用, 并且比K感受到的磁场力更大 ( 因B'y> By) , 同时K'的右手将感受到电场力的作用。同样, K'可以据此推知磁场B'和电场E'的大小。

然而, 这里存在一个问题, K和K'是两个完全对等的观察者, 可以说他们处于完全相同的地位和环境中, K'相对于K运动, 而K同样相对于K'运动, 他们没有任何区别。那么, 完全对等甚至说完全相同的两个观察者怎么会测得不同的电磁场? 他们的左右手何以会感受到截然不同的电磁作用力?K和K' 所在之处别无他物, 如果要证明K和K' 所处的状态不对等或者不相同, 除非他们各自相对于电磁场有着不同的运动, 例如K相对于场静止而K'相对于场运动, 或者与此相反, K'相对于场静止而K相对于场运动, 又或者K和K'各自与场的相对运动速度不同。然而, 相对于场“静止”或者“运动”, 这样的概念在相对论中是不被允许的。在相对论中, 场只有“存在”而无所谓“运动”或“静止”, 它没有运动状态的概念, 也不能被用作参考系。因此似乎没有理由认为K系和K'系的状态和地位不对等。

问题也可以从这样的角度进行分析和说明: 如图4 所示, 在静系K中有一电磁场 ( E, B) , 同时有一个固定于K系的电荷Q1, 那么Q1将会受到一个电磁力F1的作用。而在动系K' ( 运动速度为v) 来看, 电磁场变为 ( E', B') 。由于Q1相对于K'系以- v速度运动, 为了保证在K'系来看Q1的受力状态不发生变化, 一般来说E'≠E、B'≠B。同时在K'系也固定了一个与Q1完全相同的电荷Q2, 它将受到一个电磁力F2的作用。由于E'≠E、B'≠B, 而Q2= Q1, 所以F2≠F1。

这样就出现了一个问题, 分别固定于K系和K'系的完全相同的电荷Q2和Q1, 在各自参考系下受到的电磁力却不相同, 这似乎违背了相对性原理。观察者仅仅通过观察Q2和Q1的受力情况就可以推断出K系和K'系的运动状态不同, 这应该是相对性原理所不允许的。

这里可以看到, 相对论为了保证物理现象不依赖于观察者而改变, 即保证Q1在K系和K'系下受力状态不变, 就必须使 ( E', B') ≠ ( E, B) , 这就导致了固定于各自参考系的两个相同电荷Q2和Q1受力不同, 从而违背了相对性原理。反过来, 若要保证不违反相对性原理, 则必须使 ( E', B') = ( E, B) , 从而也就不存在相对论的电磁场变换, 也不能保证物理现象不依赖于观察者而变化。理论在这里陷入了两难的境地。

四、相对论多普勒效应与追光思想实验

多普勒效应是一种常见的物理效应, 反映了观察者与波源之间有相对运动的情况下, 观察者接收到的波的频率的变化, 是一种参考系效应或者观察效应。根据狭义相对论相关理论, 如果观察者与光源以一个恒定速度v彼此远离 ( v的方向在观察者和光源的连线上) , 则观察者测量到的光波频率为:

其中f0为光波的原始频率。此即相对论多普勒效应[1]。现假设光源不动, 观察者以速度v沿光线传播方向向前运动。根据公式 ( 5) , 观察者测量到的光频率将减小, fd< f0。并且v越大, 则fd越小。

当观察者的运动速度达到光速即v = c时, fd= 0, 这时候, 在观察者看来, 光的频率为0, 意味着光波已经停止振荡, 也就是说, 这时候光波呈现在观察者眼中的是“静止的波纹”。

然而了解相对论的人应该都知道著名的追光思想实验[9]。爱因斯坦曾做过这样的思考: “如果我以速度c ( 真空中的光速) 追随一条光线运动, 那么我们就应当看到, 这样一条光线就好象一个在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是, 无论是根据经验, 还是按照麦克斯韦方程, 看来都不会有这样的事情[10]。”“从这样一个观察者的观点来判断, 一切都应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样按照同样的一些定律进行。因为, 第一个观察者怎么会知道或者能够判明他是处在均匀的快速运动状态中呢[10]?”爱因斯坦在这里认为, 对于光来说, 所有的观察者都是平权的, 以光速c追赶光的观察者并不能看到光波被“冻结”, 麦克斯韦方程也不允许。

追光实验是狭义相对论的思想基础之一, 甚至可以说, 没有追光思想实验, 就没有狭义相对论。根据相对论多普勒效应, 当观察者以光速c追赶光时, 光的频率fd变为0、光波看起来被“冻结”。然而追光思想实验认为这种情况下光波不会被“冻结”。这两者是完全矛盾的。那么到底追光实验和相对论多普勒效应哪一个才是对的? 它们之间的矛盾意味着什么?

五、电子间的磁相互作用

首先考察两个电子运动速度相同的情形。现有两个电子e1和e2沿着静系K的X轴正方向以相同的速度v0同步匀速运动, 动系K'以同样的速度v0相对于K系运动, 为了计算简便, 设e2位于e1的正上方, e1和e2的连线平行于Y轴, 见图5 ( a) 。

设定e1为场电荷, e2为试验电荷。从动系K'的角度来看, 由于两个电子均为静止不动的, 所以它们不会产生磁场, 也不会有洛伦兹力存在, 两个电子之间仅有静电作用力。

e1在e2处产生的电场为:

其中e为电子电量, r为e1、e2之间的距离。e2所受的电场力为:

方向向上, 为静电斥力。

因为实验现象不应该随参考系选定的不同而变化, K'系中只有静电作用的两个电子, 在K系中的相互作用其大小也不应发生变化。进一步可以说, 同速运动的电子, 不论其速度多大, 它们之间的相互作用都和静止电子之间的相互作用大小没有区别———都相当于静电作用的大小。

接下来考察两个电子运动速度不同的情形。设在考察瞬间e1和e2的位置关系仍同图5 ( a) 所示, 而e1和e2的运动速度分别为v1和v2, 两者速度差v = v2- v1。e1仍为场电荷, e2为试验电荷, K为静系, 动系K'固定于e1之上, 动系K″固定于e2。总体如图5 ( b) 所示。

从K'来看, 场电荷e1静止, 故不会产生磁场, 从而试验电荷e2不会受到洛伦兹力的作用, 两电子之间仅存在静电力作用。这时e1在e2处所产生的静电场仍同公式 ( 6) 所示。而e2的电荷量未发生改变, 故e2所受的静电力仍同公式 ( 7) 所示, 等于两静止电荷之间的静电作用F0。

在K″系看来, 场电荷e1产生的既有电场, 也有磁场, 其中:

而E″、B″的其它分量均为0。由于e2静止, 它不受磁场的作用, 此时e2所受的力仅为电场力。

总的来看, 不论两个电子是静止还是运动, 无论它们的运动速度相同还是不同, 两电子之间存在静电作用力 ( 静电斥力) , 而不存在洛伦兹力。既然电子之间的相互作用只有静电场斥力而无洛伦兹吸引力, 那么众多的关于电子束自磁场[11~12]和电子束自聚焦[13~14]的实验又将如何解释呢?

六、结语

篇9：改进的狭义相对论

关键词：光子能量E；光子质量mc；空间距离速度压v强度 ；时间距离速度压t强度；复合空间速度压v复合强度；复合时间距离速度压t复合强度

中图分类号：B021.3 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）15-0060-03

经典物理学空时观认为：空间、时间是两种不同的独立存在形式；物质运动在空间、时间的框架之中，空间距离的量尺恒定不变，我们可以一米一米的量取，由内到外可追溯到永无止境的无限远，由外到内又可追溯到永无止境的无限近。时间以恒定的速度一秒一秒的流逝，上可追溯到无限久远的以前，下可追溯到无限久远的以后。爱因斯坦不这么看，在狭义相对论里，他把空时描述为是随物质运动速度变化而变化的东西，在广义相对论里， 他又把它描述为是随物质引力场变化而变化的几何；这些革命性的观点，已被以后大量的实验事实所证明；但由于他没有把参照空时与物理性空时在概念上区分清楚，对于两种空时联系的本质认识仍然是模糊的，因此也就无法用简明扼要的方法来说明，这也就是相对论为什么十分难懂的根本原因，事实上他的那个完美无缺的质能方程E=mc2。该式早已隐含着参照空时与物理性空时的本质问题，只是当初未把它清楚阐明罢了。

1 空间距离速度压v强度与时间距离速度压t强度的 产生

关于（1）式的属性问题，按照狭义相对论，式中的m是吸引性质量，乘以光速c2等于膨胀性能量E；也就是说，吸引性质量m含有c2倍的还没有转化的膨胀性能量E；即m是锁闭的膨胀性能量。当锁闭的膨胀性能量转化为开放性直线运动的能量——正负光子时（物极必反性），质量m则又由吸引性转化为膨胀运动性。为了区别于吸引性质量m，把它改称为膨胀性运动质量mc，于是E=mc2又可写作：E=mcC2（1）

这样一来，该式就成了一个光子向前运动的膨胀性质能E公式。所以光子既有能量E，又有质量mc，是一个实实在在的质能双显形式。

那么光子向前运动的膨胀性质能双显形式与它的物理性空时关系又是怎样发生的呢？空间、时间的本质究竟又是什么呢？先分析（2）式：C2=C1C2（2）

5 v强度、t强度、v复合强度、t复合强度的单向性

有了光子向前运动的空间距离速度压v强度与时间距离速度压t强度以及光子合并质量粒子一起向前运动的复合空间距离速度压v复合强度与复合时间距离速度压t复合强度源于光子能量E的认识，它的单向性也就不难理解了。我们知道，光子一经产生就具有由内向外的一去不复返的运动单向性，而v强度、t强度、v复合强度、 t复合强度又皆是由光子能量E向前运动延伸出来的。所以它们与母体一样，也皆具有由内向外的一去不复返的运动单向性，这与热力学第二定律不可逆现象是吻合的，因为光子能量E就是热量Q的别称：

E=l强度=l复合强度=v强度t强度=v复合强度t复合强度=Q（37）

它们本质上是一回事。

参考文献：

[1] 阿尔伯特·爱因斯坦.易洪波，李智谋（译）.相对论[M].南京：江苏人民出 版社，2011.