《相对论百问(第3版)》:
一、狭义相对论
1.什么是相对论?
相对论是爱因斯坦创立的一个关于时间、空间和物质三者之间关系的理论。它分为狭义相对论和广义相对论两个部分。
1905年创立的狭义相对论是一个时空理论,描述不同惯性系之间的时空关系。
1915年创立的广义相对论是狭义相对论的发展与推广,这是一个关于时间、空间和引力的理论。它讨论了时空与物质之间的关系,指出万有引力不是普通的力,而是一种几何效应,是时空弯曲的表现。
狭义相对论创始于爱因斯坦1905年发表的一篇论文。这篇名为《论运动物体的电动力学》的论文,探讨了惯性系之间的时空关系,指出对于做相对运动的不同惯性系而言,两个异地事件是否“同时”发生是一个相对的概念。也就是说,静止系中的观测者认为“同时”发生在不同地点的两件事情,运动观测者认为并不是“同时”发生的。除去“同时的相对性”之外,爱因斯坦还指出了“运动时钟变慢”“运动刚尺缩短”等时空效应。在此后发表的文章中,他又指出物质的质量和运动速度有关,并得出著名的质能关系式E=mc2。式中m,E分别为物体的质量与能量,c是真空中的光速。
由于爱因斯坦理论的核心公式(洛伦兹变换)与洛伦兹早先提出的公式在数学形式上完全相同,但在物理解释上完全不同,为了区分自己的理论和爱因斯坦的理论,洛伦兹把爱因斯坦的理论称为“相对论”。爱因斯坦接受了这一命名。顺便说一下,“洛伦兹变换”这个名字也不是洛伦兹本人命名的,而是著名数学家庞加莱建议的。
“相对论”原来是描述平直时空中惯性系之间时空关系的一个理论。1915年,爱因斯坦把这一理论推广到包括非惯性系和弯曲时空的情况中。他认为物质的存在会造成时空弯曲,万有引力就是时空弯曲造成的效应,实际上是一种几何效应,因而只与物体的能量和动量有关,与物体的具体物质结构和成分无关。他又认为时空弯曲会反过来影响物质的运动,质点在弯曲时空中的自由运动只与时空弯曲情况有关,与质点自身的物质结构和成分无关。他把自己的新理论看作是“相对论”的推广,称其为广义相对论,而把原先的“相对论”,称为狭义相对论。人们把狭义相对论与广义相对论合在一起简称为相对论。
在相对论诞生的前几十年中,大多数人认为平直时空中描写惯性系之间关系的时空理论属于狭义相对论,弯曲时空中的时空理论以及平直时空中涉及非惯性系的时空理论都属于广义相对论。
近几十年来,相对论界的普遍观点是把狭义相对论与广义相对论的分界线定义在平直时空和弯曲时空之间。这就是说,平直时空中的时空理论(包括惯性系的和非惯性系的)都属于狭义相对论,弯曲时空中的时空理论则属于广义相对论。
由于平直时空是弯曲时空的特殊情况,狭义相对论可以看作是广义相对论的一个组成部分。
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