文档介绍：相对性原理与物理学规律-物理论文
相对性原理与物理学规律
刘平
(金陵科技学院公共基础课部,江苏南京211169)
摘要:本文简要阐述了时空观的发展历史和与之相对应的相对性原理,并在此基础上讨论了物理学规律的协变性。
关键词 :牛顿力学;狭义相对论;广义相对论;协变性
中图分类号: 文献标志码:A 文章编号:1674-9324(2015)41-0170-03
一、前言
从牛顿到爱因斯坦,人们对时空的观念经历了两个伟大的变革。牛顿的时空观是绝对时空观,对于这种时空观点人们几乎是默许的。到了爱因斯坦,时间和空间联姻了。时空与物质的运动也密不可分,甚至与物质的固有性质相联系。让人兴奋得是每一种时空观都有与之相对应的相对性原理。由此可见相对性原理在物理学中的重要地位。
二、相对性原理的发展
。相对性原理的观念来自牛顿力学。牛顿第一定律的实质就是惯性系的存在,因而也称为惯性定律。牛顿力学的基本规律F=ma只对惯性系才成立。而对于两个相对作匀速运动的惯性参考系,它们的时空关系可表达为:
这就是伽利略时空变换。容易验证,若牛顿力学规律对其中一个惯性参考系成立,那么对另外一个惯性参考系也成立。这称为牛顿力学规律对伽利略时空变换的协变性,也称为力学的相对性原理。
狭义相对论的建立最初来源于电磁学。麦克斯韦方程组对伽利略时空变换是非协变的。这个事实暗示了两种可能:一是相对性原理对电磁学不适用,从电磁规律看只有一个真正的惯性系;二是相对性对电磁学仍适用,然而伽利略时空变换或麦克斯韦方程组不是精确的规律,它需要修正。
爱因斯坦的狭义相对论对这个问题给出了解答。他从光速不变原理出发导出了一个新的时空关系:
这就是洛仑兹变换。从形式上看,若vc或c为无穷大它将还原为伽利略变换。事实证明狭义相对论在不考虑引力的情况下是正确的。这说明相对性原理对力学和电磁学都适用。在此基础上,爱因斯坦把它推广到整个物理学:所有的基本物理规律都应在任意惯性系中具有相同的形式,这就是狭义相对性原理。
。无论是牛顿力学还是狭义相对论都只对惯性系成立,那么就引出两个问题:①自然界中哪些参考系是惯性系;②为什么惯性系在描述物理规律时具有优越性。无数事实证明地面实验室参考系像是一个惯性系,因为从牛顿力学以及狭义相对论得出的结论能够在实验室中实现。可是更精确的测量表明,它不是严格的惯性系。既然不存在真正的惯性系,爱因斯坦就提出:任意参考系在表述物理规律上都应该是等价的。这样,狭义相对性原理被推广了,称为广义相对性原理,惯性系的特权被取消了。
。上文已提到在vc或c为无穷大洛伦兹变换将还原为伽利略变换。狭义相对论力学又回到牛顿力学了。当时牛顿并不知道光速是多少,更不知道光速不变,然而光是宇宙间最快的信使。
因此只能说牛顿引力作用是超距作用。可以设想,如果在物体的周围突然出现了另一物体,那么两物体之间就立即产生了引力作用,从物质的出现到引力的产生之间不需要时间。更普遍地说,原因和结果同时出现了,因果律遭到了破坏,物理学面临着严重的危机。
危机终于被解除了,光速是有限的,任何相互作用都以有限的速度传播,原因总是在结果之前出现。
。引力有一个特点,它的强度与受力物体的