Question

狭义相对论与物理学的不同点有哪些？

Answer 1

在时空观上，狭义相对论与经典物理学的不同点主要表现在以下几个方面。

第一，牛顿的绝对时空观，把时间和空间看作是没有物质内容的、独立的本体，都具有绝对的意义。因此，物体的长度、两事件之间的时间间隔以及两事件的同时性都与参照系的选择无关，是绝对的。

狭义相对论表明时间、空间同物质运动有密切联系。指出时间间隔和空间间隔的量度并不具有不变性，而是随着物质运动状态的变化而变化，与参照系的选择有关。为了说明同时性的相对性，他设计了“爱因斯坦列车”的思想实验：在一列匀速直线运行的列车中点燃一束光，与列车平行的地面上的观察者看到光线先后到达车头和车尾，而列车上的观察者却看到光线同时到达车头和车尾。从而形象地表明时空关系是具体的、相对的，脱离开物质及其运动去考虑时空的特性是无意义的。

第二，经典物理学认为时间和空间是互不相干的，时间本身是一独立的连续体，空间也可以脱离时间而存在。

狭义相对论揭示了时间和空间存在着内在的不可分割的联系。时间和空间既不能与物质运动相脱离，它们二者也不能相互割裂。自然界中根本不存在孤立的时间和孤立的空间；客观世界每一真实的物理过程，都总是在四维时空连续区中存在着。它们的运动状态必须用时间坐标和空间坐标一起来作全面的描述。

第三，经典物理学认为一切物体无论是在运动中还是静止时，它的长度总是一样的；时钟在运动和静止状态都将保持同样的时间。

狭义相对论认为这种假定是不合理的。它认为空间和时间是随着物体的运动而变化的。经典物理学的时空观在物体低速运动时才能适用。当物体高速运动时，运动物体上的时钟变慢，尺子变短。这就是狭义相对论中的“钟慢效应”和“尺缩效应”。

“钟慢尺缩”现象与钟的制法和尺子的构造无关，它是时间随物质运动而变化的结果。爱因斯坦曾指出，人的心脏也是一种钟表，如果一个人以接近于光速的速度旅行，他的心脏跳动会和他的呼吸以及一切生理作用一同缓慢下来，而其本人将觉察不到，因为他的钟表也同样地缓慢了。因此，许多科学幻想作品用它做题材，描写一个人坐光子火箭游太空，回来以后发现自己很年轻，而他的孙子已经白发苍苍了。

在质能观上，狭义相对论也不同于经典物理学。

经典物理学有一条原理，叫做质量守恒原理，即任何物体的质量是一定不变的，不管该物体是处于静止还是运动状态。例如，一列火车不管它是停在路轨上，或以每小时60公里的速度在地面上行驶，还是以每小时60万公里在空中飞驰，其质量都一样，永远不变。

狭义相对论则认为，物体的质量随运动而变化。同一物体在不同速度下有不同的质量。过去人们未曾发现这个事实，仅是因为人类的感官及当时的仪器不够精度，无法觉察这种无限小的质量上的变化。例如，速度达到每秒30公里的物体，质量只增加一亿分之一。若物体的速度为0.87C(C为光速，每秒30万公里)时，物体的质量就增加一倍，而当速度达0.994C时，物体的质量就加大十倍。

在狭义相对论建立以前，科学家想像宇宙是一个器皿装着两种截然不同的东西，即质和能。前者有惰性，是可捉摸的；后者是活泼的，不可见的。

爱因斯坦在狭义相对论中证明，质与能是同等的东西，质是能的集中。换言之，质就是能，能就是质，它们的区别只在于临时的状态。质量和能量又是相互转化的。因为运动物体的质量随着运动速度增加，又因为运动即是能量的一种形式，那么，运动物体质量的增加即由能量的增加得来。

爱因斯坦于同年9月在论文“物体的惯性同它所含的能量有关吗”中推导出了著名的质能关系式：E=mc2。其中，m是物质的质量，E为它所含有的能量，c是光速。

这个公式只说明质量为m的物质所蕴藏的全部能量是E=mc2，并不等于这些能量都可以释放出来。按照这个公式，1千克物质所含的能量竟等于燃烧250万吨优质煤所释放出的热能。它说明了放射性物质何以能释放巨大的能量，说明了太阳及一切恒星何以能发射光与热达亿万年之久。狭义相对论使质量守恒原理失去了独立性，它和能量守恒原理融合在一起了。今天，这个质能转化与守恒原理成了利用原子能的理论基础。

狭义相对论成功地揭示出时间与空间、物质与运动、能量和质量、动量和能量的统一性，把经典力学和经典电动力学统一起来了，它是人类理性思维的杰作。

刚刚诞生的相对论在当时确是“阳春白雪”，自然也就“和者益寡”了，但毕竟还是陆续遇到了知音人。法国著名物理学家普朗克是相对论的最早庇护人。他在回答奥地利教育部长问话时说：“如果爱因斯坦的理论被证明是正确的——这个我想没有问题——爱因斯坦将被认为是20世纪的哥白尼。”1905年底在柏林大学的讨论会上，普朗克作了评论相对论的演讲，给他的助手劳厄以极为深刻的印象，以至于劳厄利用假期到瑞士的伯尔尼专门拜访爱因斯坦。后来，劳厄在1911年写了第一部宣传狭义相对论的著作《相对性原理》，加速了人们对爱因斯坦学说的理解。

第一个意识到爱因斯坦新时空观的是他在苏黎士上学时的老师闵可夫斯基。由于这位学生在校时不注重正规课程的学习，而喜欢独立思考，没有给老师留下好印象，以至于闵可夫斯基在对相对论表示惊讶之余，不无感慨地说：“唉，爱因斯坦!这就是那个经常不去听课的学生，我简直不相信他呀!”

闵可夫斯基以优美的数学形式，揭示出三维欧几里得几何同物理时空连续区之间的形式关系，富有极大的启发性，对于促进人们充分认识狭义相对论的意义和推动狭义相对论的传播，起到了应有的作用，它后来还成为通向广义相对论的一个必不可少的步骤。

可是，当时大多数物理学家都持怀疑态度，洛伦兹虽然对爱因斯坦的工作表示赞赏和尊重，但他自己却一直坚持以太、绝对时间和绝对空间的概念。迈克尔逊曾对爱因斯坦说，他感到懊丧，想不到自己的工作竟会引出相对论这个“怪物”。在英国，对否定以太存在的这个新理论的抵制，持续了五、六年之久。

在绝大多数物理学家还根本不能接受这个新理论时，爱因斯坦就已积极地把这一理论继续向前推进。1907年，他就把研究的兴趣从狭义相对论转向它的推广。这是因为狭义相对论的应用范围仅局限于匀速直线运动体系，还不能解释加速运动体系和万有引力问题。牛顿的万有引力是建立在绝对时空基础上的，是一种经典引力理论。要使经典引力理论发展成为一种更广泛更普遍的新理论，必须把经典引力理论改造成为相对论的引力理论。

爱因斯坦早就想到另一个有趣的问题：如果有人凑巧在一个自由下落的升降机里，那会发生什么现象呢?1912年，爱因斯坦回到母校苏黎士工业大学任教后，在他的老同学、该校的数学教授格罗斯曼的协助下，找到了“黎曼几何”，为广义相对论的创立提供了强有力的数学工具。

1915年是爱因斯坦富有成果的一年。他先发表了一篇“用广义相对论解释水星近日点运动”的论文，不用任何特殊假设就成功地解释了水星在轨道上的长期旋转：每一百年大约转45”。他还纠正了1911年计算光线经过太阳附近弯曲的错误数值，新结果比原来的值大一倍。

这年11月，爱因斯坦终于完成了他的广义相对论的集大成论文——“广义相对论的基础”。11月28日，他在写给索末菲的信中叙述道：“上个月是我一生中最激动、最紧张的时期之一，当然也是收获最大的时期之一。”“在对以前的理论结果和方法失掉一切信心之后，我清楚地看到，只有同一般的协变原理，即黎曼协变理论联系起来，才能得到令人满意的解决。”“我感到高兴的是，不仅牛顿的理论作为第一近似值得出了，而且水星近日点运动作为第二近似值也得出了。关于太阳附近光的偏折，得到的总量是以前的两倍。”