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什么叫狭义相对论?

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狭义相对论简述

狭义相对论是由爱因斯坦、洛仑兹和庞加莱等人创立的时空理论,是对牛顿时空观的拓展和修正。牛顿力学是狭义相对论在低速情况下的近似。狭义相对论,是仅描述平直线性的时空(指没有引力的,即闵可夫斯基时空)的相对论理论。牛顿的时空观认为运动空间是平直非线性的时空,可以用一个三维的速度空间来描述;时间并不是独立于空间的单独一维,而是空间坐标的自变量。狭义相对论同样认为空间和时间并不是相互独立的,而它们应该用一个统一的四维时空来描述,并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中,整个时空仍然是平直线性的,所以在其中就存在“全局惯性系”。狭义相对论将“真空中,光速为常数”作为基本假设,结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛伦兹变换。爱因斯坦意识到伽利略变换实际上是牛顿经典时空观的体现,如果承认“真空光速独立于参考系”这一实验事实为基本原理,可以建立起一种新的时空观(相对论时空观)。在这一时空观下,由相对性原理即可导出洛伦兹变换。1905年,爱因斯坦发表论文《论动体的电动力学》,建立狭义相对论,成功描述了在亚光速领域宏观物体的运动。

狭义相对论的基本原理

光速不变原理

在所有惯性系中,真空中的光速都等于299 792 458 m/s(:真空磁导率,:真空介电常数),与光源运动无关。迈克耳孙-莫雷实验是其有力证明。

狭义相对性原理

在所有惯性系中,物理定律有相同的表达形式。这是力学相对性原理的推广,它适用于一切物理定律,其本质是所有惯性系平权。

狭义相对论的局限性

狭义相对论的建立,对物理学起了巨大的推动作用,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,并取得了丰硕的成果。但是有两个原则性的根本问题未能解决。第一个是定义惯性系引起的困难。由于否定了“绝对时空”,惯性参考系(惯性系)成了无法定义的概念。如果惯性系是指牛顿第二定律在其中成立的参考系,那么只有在惯性系中牛顿第二定律才能成立,从而陷入“逻辑循环”,整个理论如同建筑在沙滩之上。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,必须加以修正,但其在洛伦兹变换下不具有协变性 ,因此无法纳入狭义相对论的框架。直至广义相对论建立之后,问题才得以彻底解决。

参考资料

  1. 张元仲.《中国大百科全书》74卷(第二版)物理学 词条:狭义相对论:中国大百科全书出版社,2009-07:470-471页
  2. 张元仲.《中国大百科全书》74卷(第一版)物理学 词条:狭义相对论:中国大百科全书出版社,1987
  3. 许良英.《中国大百科全书》74卷(第一版)哲学 词条:相对论:中国大百科全书出版社,1987
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