安全民

“你和一個(gè)漂亮的姑娘在公園的長椅上坐一小時(shí),覺得只過了一分鐘,你緊挨著火爐坐一分鐘,卻覺得過了一小時(shí)。這就是相對論。”愛因斯坦在一次回答公眾對相對論的提問時(shí)如此說。雖為玩笑,但其中卻包含著相對論最本質(zhì)的東西。在經(jīng)典力學(xué)看來絕對不變的時(shí)間間隔,在相對論看來會(huì)隨著參照物的選取而不同(就像姑娘,火爐對時(shí)間感覺的影響)正是這一點(diǎn),使相對論的時(shí)空觀與經(jīng)典物理的觀點(diǎn)完全不同,經(jīng)典物理的時(shí)空是絕對的,而相對論的時(shí)空是相對的。

絕對時(shí)空觀是愛因斯坦以前的物理學(xué)家所普遍接受并廣泛引用的。其原因在于絕對時(shí)空觀是一種直觀的、簡單的、方便的時(shí)空觀。他與大多數(shù)人對時(shí)空的看法相一致,絕對的時(shí)間和空間是與生俱來的,他就是那樣的,人們可以借此繞過對神秘的時(shí)空的探討而直接討論問題并得到正確的結(jié)果。

正因如此,伽利略、牛頓等物理學(xué)家都接受了這種思想,并由此將絕對時(shí)空觀下的經(jīng)典物理推向了頂峰。

但是,經(jīng)典時(shí)空觀畢竟是一種未加驗(yàn)證的觀點(diǎn),他更像是“想當(dāng)然”的想法。因此,19世紀(jì)末20世紀(jì)初遇到了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)(邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)令人費(fèi)解的零結(jié)果,以太危機(jī)……),就在絕大多數(shù)物理學(xué)家忙于對經(jīng)典物理進(jìn)行修補(bǔ)時(shí),一位瑞干專利局的三等文員勇敢地提出要想解決物理學(xué)的困難,必須放棄絕對時(shí)空觀,代之以其他理論,他把這種理論稱之為“相對論”。這個(gè)人就是愛因斯坦。

愛因斯坦用相對論向我們呈現(xiàn)了一幅與以往不同的景象:

時(shí)間間隔是相對的,空間間隔是相對的,同時(shí)性是相對的……,只有物理定律和真空中的光速是絕對的(在廣義相對論中,光速也是變化的)。愛因斯坦以其大膽的設(shè)想,縝密的思維,使困擾物理學(xué)的難題迎刃而解:以太是不存在的(不需要也不必要)邁克爾遜——莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果恰好驗(yàn)證了相對論……愛因斯坦用相對論輕而易舉的解決了難題。

下面我們就一起走入相對論給出的時(shí)空觀——相對時(shí)空觀。

一、狹義相對論的時(shí)空觀

狹義相對論建立在慣性參考系下,并依賴于兩個(gè)假設(shè):

1.愛因斯坦相對性原理

在不同的慣性參考系中,一切物理規(guī)律都是相同的。

2.光速不變原理

真空中的光速在不同的慣性參考系中都是相同的,與光源的運(yùn)動(dòng)和觀察者的運(yùn)動(dòng)沒有關(guān)系。

從這兩個(gè)假設(shè)出發(fā),愛因斯坦得出了與絕對時(shí)空觀中完全不同的結(jié)論:空間和時(shí)間與物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)系,通過光速不變原理,愛因斯坦提出了著名的動(dòng)鐘變緩(運(yùn)動(dòng)的觀察者的時(shí)鐘將會(huì)比靜止的觀察者的時(shí)鐘走得慢)與動(dòng)尺縮短(相對觀察者運(yùn)動(dòng)的物體的長度要比其相對觀察者靜止時(shí)的長度短)的結(jié)論。由于這個(gè)原因,坐在火車?yán)锏挠^察者測出的從A地到B地所用的時(shí)間實(shí)際上將少于1小時(shí),而他測量的A、B兩地間的距離將比100千米少。之所以如此,正是因?yàn)閮蓚€(gè)觀察者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)不同。同時(shí)愛因斯坦根據(jù)閔科夫斯基的提議提出了包含時(shí)間和空間的四維函數(shù),將時(shí)間作為時(shí)空坐標(biāo)的一個(gè)維,描述空間的函數(shù)(x,y,z)表示其他的三個(gè)維。這樣就把時(shí)間和空間聯(lián)系了起來,他們是平等的,都是四維空間的一個(gè)維。雖然狹義相對得出了時(shí)間空間與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān),從而具有相對性,提出了四維時(shí)空的觀點(diǎn)。但他仍然沒有根本的給出時(shí)空到底是什么,真正解決這個(gè)問題的是廣義相對論。

二、廣義相對論的時(shí)空觀

在考慮萬有引力之后,愛因斯坦提出了廣義相對論。在廣義相對論中,時(shí)空曲線是彎曲的,而萬有引力就是彎曲的時(shí)間和空間,或者說時(shí)間和空間本質(zhì)上就是萬有引力。萬有引力是物質(zhì)產(chǎn)生的,因此時(shí)間和空間本質(zhì)上是由物質(zhì)產(chǎn)生的。物質(zhì)的質(zhì)量越大,他所產(chǎn)生的時(shí)空越彎曲。而所有的物體都在沿著時(shí)空曲線做著“直線運(yùn)動(dòng)”(由于時(shí)空曲線是彎曲的,因此我們看到的是曲線運(yùn)動(dòng))。

由此看出,相對于絕對時(shí)空觀相對時(shí)空觀準(zhǔn)確的指出了時(shí)空的本質(zhì),時(shí)空是緊密聯(lián)系的整體,它由物質(zhì)決定反過來又影響物質(zhì)。通過相對時(shí)空觀人們對時(shí)空觀有了正確的認(rèn)識(shí),推動(dòng)了人們對現(xiàn)代物理學(xué)的探討。

作者單位:河北省唐山市豐南區(qū)第二中學(xué)