相对论与量子论
经典力学,相对论与量子论的关系
经典力学,相对论与量子论的关系经典力学、相对论和量子论是物理学中的三大理论体系，每个理论体系都有自己的适用范围和局限性。
它们之间的关系不仅仅是纯学科关系，更是哲学和科学方法论上的关系。
经典力学是描述大尺度物体运动的理论，其基础是牛顿力学。
通过牛顿定律，可以得出物体在受到力的作用下的加速度以及位置的变化。
经典力学认为物质是连续且具有确定的位置和速度，这种观点在纳米尺度下变得不再成立，因为粒子的行为变得不可预测。
相对论描述了高速物体运动的理论，由爱因斯坦提出。
相对论基于两个基本原理：光速不变原理和等效原理。
相对论中，时间和空间不是绝对的，而是与观察者的运动状态相关。
另外，相对论给出了质能的等价性方程E=mc²，揭示了质量能量的本质统一。
量子论则是描述微观物体运动的理论，其基础是量子力学。
量子力学的基本概念包括波粒二象性以及不确定性原理。
波粒二象性表明了电子、光子等粒子既是波又是粒子，存在于一个综合波函数的描述中，并且粒子运动的轨迹不是具体的，而是具有一定的概率分布。
不确定性原理则说明，测量某个量的精度越高，就会牺牲对另一个量的精度，不能同时得到完全确定的结果。
这三个理论体系之间的关系，可以通过以下几个角度来分析：1. 范畴分明三个理论体系适用的范围不同。
经典力学适用于尺度较大的物体，而相对论适用于高速运动的物体，量子力学适用于微观物体。
它们各自是不同层面上的物理现象的描述，不能用一个理论来解释另一个层面的物理现象。
2. 相互影响三个理论体系之间也存在相互影响。
相对论影响了经典力学的思想，引发了爱因斯坦场方程的提出。
量子力学则影响了相对论的思想，引发了弦理论和量子引力等新理论的涌现。
而经典力学则成为了相对论和量子力学的基础和桥梁，许多经典力学中的概念和方法都被引入到相对论和量子力学中。
3. 哲学思考三个理论体系是不同的哲学思考所导致的。
经典力学源于牛顿对于经验法则的总结，相对论则反映了爱因斯坦对于时间和空间的新的哲学思考，量子力学则涉及了粒子和波的关系等哲学问题。
量子理论与相对论统一的基础-最新年文档
量子理论与相对论统一的基础1 四维空时现代物理学之所以不同于古典物理学，在于四维空时理论。
古典物理学是三维空间的物理学，而现代物理学是四维空时的物理学。
如果不理解四维空时，那对相对论与量子理论的认识也只能停留在“知其然”的阶段。
理解狭义“相对论”的关键在于，同时发生在宇宙的两个不同地方的两个事件，其同时性是相对的。
这与古典物理学中的绝对的同时是不同的。
绝对的同时是指在无穷小的同一时间，但无穷小是不能单独存在的，因而无穷小的时间也是不能单独存在的。
相对论中的相对的同时是大于无穷小的同时。
也就是说，是处在大于无穷小的同一段时间。
当然，其长度也只能用微分来计算。
这是真实的同时。
这一段时间的长度，也就是在过去、现在、未来的三段时间中的“现在”的时间长度。
正因为“现在”有一定的时间长度，所以才有四维空时。
在四维空时中，时间一维的长度也就是“现在”的长度。
为便于理解，这里简述一下“现在”。
在时间上，过去的量是无穷的，未来的量也是无穷的，那么，在过去与未来之间有没有“现在”呢？如果没有“现在”，那么，我们就只能生活在过去或未来。
这可能吗？如果说“现在"没有一定的量，那也就没有“现在”。
因为质与量是不可分的。
同时性是相对的，这一论断也表明“现在”有一定的量。
“现在”并不是隔开过去与未来的一张无形的纸，它是一个现实的过程。
既然是一个过程，就要有一定的时间长度。
在这一定的时间长度内，未来不断地变为现在，而现在又不断地变为过去。
这是时间一维的特点。
空间与时间统一为四维连续区的关键就在于“现在”有一定的量。
四维空时是不可分割的，在这统一体中，时间一维有两种不同的量：一种是以秒、分、小时等为计量单位的时间，另一种是以厘米等为计量单位的时间。
该时间的量与三维空间的量是同质的量。
古典物理学中的时间与空间是各自独立的，二者的量不能换算。
如果仅仅承认以秒、分、小时等为计量时间的单位，而不承认以厘米等为计量时间的单位，那实际上是不承认四维空时。
相对论与量子力学之间的矛盾
第二,时间地膨胀,对于运动地物体,物体运动地速度越快,时间就走地越慢.第三尺度地缩短,一个刚性杆在运动地时候长度是缩短地,速度越块长度越短.第四光速是所有有质量地物体地极限,也就是说无论你怎么折腾,有质量地物体永远不可能超过光速,只能无限地接近.第五,在万有引力场附近地空间是弯曲地,第七∧.就是著名地爱因斯坦质能方程.能量等于质量乘以光速地平方.也就是广意地质能守恒,爱因斯坦说,质量(也就是有型物质)和能量其实本身就是同一种物质,他们在一定条件下可以相互转化,而物质具有地能量可以被看作是他地质量,运动地物体地质量要大过它静止地时候地质量,这是因为物体由于运动而具有了动能,而这些动能可以通过上面地质能方程换算成物体地质量,只不过一般地情况下我们宏观世界运动地物体速度都太慢了,这个质量增加太不明显,所以你感觉不到质量地变化而已尽而推导下去,会发现当物体地速度很大了地时候质量地增加就会越来越大,当快接近光速地时候质量几乎是无限大,想要让无限大地质量继续加速你需要地推动力就是无限大,所以才有了第五个结论地光速是物体地速度极限.应该把这个推导过程给你写上地,这个公式我会,打了这么多字太累了就不说这个了.上面这六点就是用最通俗直接地语言来说相对论地结论.看起来似乎很荒谬?别怀疑,用霍金地话说,从我们一出生开始,一直到高中,大学,无论是我们地生活经验也好,还是课本上地教材也好都给了我们一个假象,因为我们处于一种低速地状态下,所以很多东西都被忽略了.上面说地光速不变,时间膨胀,空间尺度地压缩,等等都是事实.只是因为我们地速度太低了,感觉不到而已.再和你说说经典力学和相对论地关系吧!因为我们最开始学地先是经典力学,后来才知道地相对论,所以通常在一些应用情况下叫相对论效应,再说其本质,相对论才是真正描述这个世界规律地真理,而经典力学只是相对论地近似而已,在一般地低速情况下还适用,举了例子,一个地物体假如你推了他一把他以地速度前进那么他所具有地动能^ 焦耳他具有了焦耳地动能这个时候由于他地运动而具有地能量使得他质量增加了质量增加了多少呢把能量焦耳代入爱因斯坦质能方程中去*^ *^ 我用计算机算了一下质量增加,这个质量非常小,小到平时我们根本感觉不到,按照经典力学地理解物体运动不运动质量都一样,而由于运动而多出来地这根本不考虑,如果加上这点点质量就叫考虑相对论效应了.再说量子力学吧!量子力学是一们真正研究原子内部规律地学科,研究地对象是微观尺度地问题,是一门很难学地学科，也是一门超级枯燥地学科,一方面由于我们从一出生开始对于宏观世界规律地惯性，导致了我们经常不觉就把我门从宏观世界总结地规律和经验代入到了微观世界中去，另一方面学习量子力学需要相当好地高等数学基础,他地最基本理论叫"测不准原理",也就是说在微观世界地测不准,拿电子来做例子,他在高速围绕原子核旋转地时候,无论你用什么方法都不可能既同时得到他在某一时刻所在地位置,和他这一时刻地速度地.这个世界上地所有物质其实都是有波和粒两个性质地,只不过宏观物体地波性质很弱,粒子性很强,而微观物体特别是电子,波动性非常大,在很多地情况下,他是被当作有波来看待地,波特有地性质就是衍射,所以不能确定它地具体位置,用宏观世界地经验和相对论都描述不了这原子内部地规律,所以才有地量子力学这个学科.文档收集自网络，仅用于个人学习相对论是描述超大尺度空间地规律,而量子力学是描述原子内部超级小空间地规律,而两种理论格格不入.所以到目前为止理论物理学领域地最大一个攻关就是找一种理论能把这两种规律统一起来,霍金管这种尚未诞生地理论叫"量子引力论".文档收集自网络，仅用于个人学习在量子力学中，物质都有波粒二象性地属性.有一个利用“电子物质波干涉”形成干涉条纹地实验证明了这一点.在用量子力学对实验进行解释时，说电子以波地形式传播，在到达接收屏地时候，瞬间塌缩为一个粒子.不论波地范围有多远，哪怕有几光年.这就引发出了一个矛盾，就是看上去好像波地坍塌速度超过了光速，相对论否定任何物质地运动速度能超过光速.但是事实上，近代物理观点认为，这两种现象并不存在矛盾.因为电子波地塌缩过程并不存在物质运动.你要知道，相速度是可以大于光速地，德布罗意波（也就是物质波）地相速度就大于光速.在一个电光源地映照下，一个哪怕运动很慢地物体，只要投影范围比较广，影子地速度就可以超过光速，甚至可以远超光速.但是，影子和光斑地“运动”不传递信息和能量.所以信息地极限速度还是光速.这上面地说明是旧时认为地矛盾之一，但其实是佯谬（伪装地矛盾）.第二，相对论时空学中用世界线描述事件与时空.比如一个粒子做匀速直线运动，它地世界线就是一条直线（空间线与时间线地合成），但是，这就假定了粒子具有确定地轨迹，这就是说粒子可以有确定地存在位置和速度，这也与量子力学格格不入，因为根据量子力学地测不准原理，位置与动量不可能同时准确地测定，这也是一个矛盾.但如果把相对论当成近似理论倒也可以解决这个矛盾，但这就需要修改相对论.类似地还有由量子力学推导出地平行宇宙论（但这个在我看来漏洞很多，所以不加赘述）.文档收集自网络，仅用于个人学习现在，我总结一下相对论和量子力学地四大分歧：.偶然地作用.相对论认为：偶然不存在，一切现象都是决定性地.这从上面粒子轨迹地例子就可以看出.量子力学认为偶然无处不在.根据现在所有地信息也不能推倒出绝对地未来（注意这个未来并不单纯指人类地行为未来）文档收集自网络，仅用于个人学习.时空地结构.相对论认为时空是活跃地，可弯曲地，程度由物质地分布决定.但量子力学认为时空是静止和平坦地，不受物质地影响.文档收集自网络，仅用于个人学习.引力.相对论认为，引力是有时空弯曲造成地效应，但量子力学认为引力是时空中地粒子交换..真空地能量.相对论认为真空中没有能量，但量子力学认为真空中充满了巨大乃至无限地能量.注意，上面四点就是主流地两个理论地分歧.但要注意，这是分歧，不一定是矛盾，因为不排除有理论可以合理解释这几种分歧. 文档收集自网络，仅用于个人学习。
量子论和相对论
量子论和相对论
1、爱因斯坦的相对论
提出：
1905年提出“狭义相对论”;1916年提出“广义相对论”，通称相对论。
内容：
两个基本原理是相对性原理和光速不变原理，认为时间、空间、运动、质量不是绝对不变的，而是相对的，可以相互转化。
意义：
①创立了一个全新的物理学世界，极大地扩展了物理学应用的领域。
②打破了经典物理学绝对化的思维，为人们提供了辨证地看待世界的途径。
③是物理学领域最伟大的革命，相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。
2、量子论
提出：
1900年普朗克(德国)提出“量子假说”;1905年爱因斯坦提出了光的量子理论;丹麦的玻尔提出了原子的量子理论。
意义：
量子论是20世纪最深刻、最有成就的科学理论之一;使人类对客观规律的认识，开始从宏观世界深入到微观世界;在量子论基础上发展起
来的量子力学，极大地促进了原子核物理学等科学的发展，人类从此进入了核能时代。
经典力学,相对论与量子论的关系
经典力学,相对论与量子论的关系
经典力学、相对论和量子论是物理学中最基本的三个分支，它们分别描述了不同的物理现象和规律，但它们之间也有很多联系和关联。
经典力学是物理学的经典分支，主要研究非常规律性的物理系统，如牛顿力学和拉格朗日力学等。
它适用于大尺度和低速度的物理现象，但在描述原子和分子这样微小尺度和高速运动时，它的描述就无法精确和准确。
相对论是描述高速和强引力下物理现象的理论，如爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论。
它的理论基础是光速不变原理和等效原理，可以解释黑洞、宇宙膨胀等重要物理现象。
但相对论仍然不能解释微观粒子的行为和规律。
量子论是描述微观世界中物理现象的理论，如量子力学和量子场论等。
它可以精确描述原子、分子、粒子等微观尺度下的物理现象和规律，但在大尺度和高速运动时，其描述就不再适用。
这三个分支之间的联系和关联是多方面的。
首先，相对论和量子论都可以被看作是经典力学的推广和修正，它们都包含了经典力学的基本原理和规律。
其次，相对论和量子论在许多领域都有交叉应用，如量子场论和相对论量子力学等。
最后，许多物理学家正在寻求一种统一的理论来描述整个宇宙的物理现象，这种理论被称为“物理学的理论一统天下”，它的构建需要将经典力学、相对论和量子论进行有
机的结合和整合。
- 1 -。
物理学中的相对论和量子场论
物理学中的相对论和量子场论在物理学的世界中，有两个重要的理论——相对论和量子场论。
这两个理论分别解释了宏观物理和微观物理的现象和规律。
虽然它们的发展历史有所不同，但它们在物理学的基础和应用中起着不可替代的作用。
相对论是指物理学中描述运动物体的各种规律的理论，其中以狭义相对论和广义相对论最为著名。
狭义相对论是由爱因斯坦于1905年提出的，主要讨论了非加速运动的物体，即相对于观测者静止的物体，它们之间的运动规律和现象。
狭义相对论规定了光速度在任何参考系中都是不变的，取代了牛顿时代的绝对时空观念，并揭示了有关质量、能量、时空等物理规律的新定律。
广义相对论是由爱因斯坦于1915年提出的，在狭义相对论的基础上考虑了质量和能量的引力作用，将重力视为质点运动时的曲率和扭曲，揭示了宇宙的结构和演化规律。
广义相对论不仅与实验结果相符合，而且对于宇宙和时空的认识也产生了巨大的影响，成为了现代天文学、宇宙学和引力物理学的基石。
量子场论是指用量子力学的方法来描述场的理论，包括量子电动力学、量子色动力学和量子重力理论。
当物体的尺度越来越小，接近微观世界时，牛顿力学和相对论就不能很好地描述物理现象，而需要使用量子力学的框架。
量子场论则是将电磁场、弱相互作用、强相互作用和重力场都看作是以粒子方式体现的场，粒子的运动和相互作用由场的量子态确定。
量子电动力学是对电磁场的量子化描述，它是理解物质和光的相互作用、模拟微观现象的重要工具，也是研究物质结构、粒子物理学和物理学的基本问题的重要手段。
量子色动力学是描述在极端高能量下发生的强相互作用的理论，揭示了夸克和胶子的性质和结构。
量子重力理论是将爱因斯坦的广义相对论与量子力学相结合，研究引力和量子效应的相互作用，是物理学综合理论的一大重要目标。
相对论和量子场论都是遗留下来的问题，是基础科学和应用科学交叉的重要领域。
它们的研究不仅需要大量的实验数据和思考，也离不开数学和计算机模拟等方法的支持，综合各种手段来解决这些难题，让我们深入了解物理学和自然世界。
相对论vs量子力学
相对论vs量子力学
相对论和量子力学是现代物理学中两个非常重要的理论，它们在很大程度上改变了我们对自然界的理解。
相对论主要由爱因斯坦提出，它研究的是高速运动和引力现象。
相对论揭示了时空的相对性和光速的不变性，以及质量和能量之间的等价关系。
它对于解释宏观物体的运动、引力场和宇宙的结构等方面具有重要意义。
量子力学则主要由一批物理学家在 20 世纪初发展起来，它研究的是微观世界的现象。
量子力学揭示了物质和能量在微观尺度下的量子化特性，以及粒子的波动性和不确定性。
它对于解释原子和分子的结构、化学键的形成、半导体的行为等方面具有关键作用。
尽管相对论和量子力学在研究的对象和方法上有所不同，但它们都是现代物理学的基石。
在某些情况下，它们的结合使用可以帮助我们更好地理解和解释自然界中的复杂现象。
例如，在研究黑洞等极端条件下的物体时，需要同时考虑相对论和量子力学的效应。
此外，量子场论等理论将相对论和量子力学结合起来，用于描述基本粒子和它们之间的相互作用。
然而，相对论和量子力学也存在一些尚未完全解决的问题和挑战。
例如，如何将两者统一到一个更加全面的理论中，以及如何解释一些诸如暗物质和暗能量等神秘现象，仍然是物理学界正在努力探索的领域。
总的来说，相对论和量子力学各自在不同的领域发挥着重要作用，它们的发展和应用推动了科学技术的进步。
未来的研究可能会进一步深化我们对这两个理论的理解，并为解决一些未解之谜提供新的线索。
如果你对相对论或量子力学的具体内容有更深入的问题，我将很愿意为你提供更详细的解释。
量子论和微观相对论
量子论和微观相对论
量子论和微观相对论都是现代物理学的基础理论，它们分别描述了微观世界和宏观世界的物理现象。
量子论是描述微观粒子（如电子、光子等）行为的理论，其基本假设是波粒二象性，即物质既有粒子性又有波动性。
量子论用于解释光谱、化学键合等现象，可以帮助人们理解光电效应、量子隧道效应等奇特现象。
微观相对论是描述微观粒子在高速运动过程中的行为的理论，它通过爱因斯坦的质能公式E=mc²连接了质量和能量，同时也引入了相对论因子，例如时间和空间的相对性，因此微观相对论解释了很多物理学中的矛盾和不协调。
微观相对论适用于解释粒子加速器等高能物理现象，以及银河系、星系等大型天体的运动。
两个理论之间没有严格的竞争关系，因为量子论和微观相对论是描述不同尺度的物理现象的理论，各自在自己的领域内得到了验证和应用。
同时，科学家们也在不断努力探索两者之间的关联，希望将两个理论更加有效和准确地融合在一起。
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逆变换
x x '+ut ' y y ' z z ' t t '
结论：
a在r 两个ar惯'性系中
速度变换 加速度变换
vx ' vx u ax ' ax
vy ' vy
ay 'ay
vz ' vz
az 'az
力学相对性原理
力学现象对一切惯性系来说都具有相同的形式
牛顿力学规律在伽利略变换下形式不变
S系
r ：F
同一时刻的位置之间的距离
结论：原长最长
l l0
1 (v /c )2
Lorentz变换的结论
时间膨胀 在某惯性系中，同一地点先后发生的两个事件的时间间隔，与
在另一惯性系中观察（为发生在两个地点的两个事件）的时间间 隔的关系.
=0=
结论：原时最短
0 1 2
Lorentz变换的结论
双生子佯谬(twin paradox) 阿呆和阿瓜是双胞胎,阿呆坐宇宙飞船以接近光
x
引入: u c
1 1 2
Lorentz变换的结论
同时的相对性 在 S’ 系中不同地点同时发生的两事件，在 S 系中这两个事件不
是同时发生的. 在 S’ 系中相同地点同时发生的两事件，在 S 系中这两个事件还
是同时发生的. 低速空间“同时性”与参照系无关!
长度缩短效应 方法：在某一参照系中测棒的长度棒，就要测量它的两端点在
t
每个“现在/这里”的时空
点都有一个光锥,这个时空点
可能受到所有下方光锥内时空
y 点(“过去”)时空点的影响,而
这个“现在”的时空点也可能
影响所有在上方的光锥内的时
x
空点(“未来”). 在光锥外的时空点(“其他地
相对论与量子论 Relativity & Quantum
Theory
经典物理学的成就
经典物理学的成就
1875年，德国基尔有一位名叫马克斯· 普朗克的年轻人犹豫不决，不知道这辈子 究竟是该从事数学还是该从事物理学。人 们由衷地劝他不要选择物理学，因为物理 学的重大问题都已得到解决。他们斩钉截 铁地告诉他，下个世纪将是个巩固和提高 的世纪，不是个革命的世纪。
经典物理学的困难
经பைடு நூலகம்物理学的困难
爱因斯坦1905年的狭义相 对论论文.
狭义相对论 及其基本结论
Galilean相对性原理
Galilean相对性原理 The laws of mechanics must be the same in all inertial frames of reference.
以后物理学家的工作就是把一些数据小 数点后面多添加几位。
经典物理学的成就
经典物理学的成就 牛顿力学——支配天体和力学对象的运动； 杨氏双缝实验——确定了光的波动性； Maxwell方程组的建立——把光和电磁现象建立在牢固的基 础上； 统计力学的建立——将个体规律与集体规律联系在一起.
乐观情绪笼罩整个物理学界 Laplace 拉普拉斯(1749-1827，法国天文学家、数学家): 给定了方程和初始条件，宇宙的一切都是可以预测的.
对称性
Lorentz变换(transformation)
Lorentz变换(transformation)
前提条件：OO’重合时，t=t’=0, 时钟校对好 空间P点在S系中t时刻发生物理事件 ？？为什么把问题弄复杂了？
Lorentz变换
x x ut
y y z z
t
t
u c2
这两朵著名的乌云，分别指的是经典物理在光以太和麦克斯韦－ 玻尔兹曼能量均分学说上遇到的难题，也就是指在迈克尔逊－莫 雷实验和黑体辐射研究中的困境。
经典物理学的困难—两朵乌云
经典物理学的困难 Michelson–Morley实验否定了“以太”的存在. 黑体辐射的实验结果与基于经典统计理论中能量均分假说导 致的结论不相符合. 一旦深入到分子、原子领域，一些实验事实和经典理论发生 矛盾或无法理解。 为什么原子不坍塌； 光谱线为什么是分立的； 钠蒸汽为什么会发射黄光，即有标志谱线； 重核会发生α衰变… …
麦克斯韦方程组不服从伽利略变换 爱因斯坦的狭义相对论基本假设
相对性原理 一切物理规律在任何惯性系中形式相同.
光速不变原理: 在任何惯性系中，光在真空中的速率都相同.
Einstein 的相对性原理是力学相对性原理的发展
一切物理规律
力学规律
Lorentz变换(transformation)
为什么是线性关系?
其中每个点称为世界点 两个世界点之间的距离称为时空间隔
四维时空d正s 2交变(换c称dt为)2广义dLoxre2ntz变dy换2，改d变z时2 间间隔和空间
间隔，但是不改变时空间隔.
ds 2 0 time-like ds 2 0 light-like ds 2 0 space-like
时空图与因果关系
Galilean变换
问题 同样的现象对于不同的观察者会如何表现？ 同样的现象在不同的坐标系中如何描述？
原则 物理规律与参照系无关. Physics independent of coordinates.
rr
rr
'
r ro
o
'
Galilean变换
正变换
x ' x ut y 'y z 'z t 't
速到太空旅行,多年后回地球,却赫然发现阿瓜比自 己年老许多,可是根据狭义相对论,阿瓜也应该发现 阿呆比自己老许多,究竟出了什么问题?
解答 阿呆所处的参考系不是惯性参考系！ 否则，阿呆回不来！ 1971年铯原子钟模拟实验完成，证实了广义相对 论效应.
时空图与因果关系
以(x, y, z, ct)为四个坐标轴，构成四维时空.
经典物理学的困难—两朵乌云
经典物理学的困难
１９００年４月２７日，伦敦的皇家研究所，举行了一场重要的 科学报告会。开尔文男爵的演讲《在热和光动力理论上空的１９ 世纪乌云》。７６岁的开尔文爵士以其特有的爱尔兰口音激动地 作着结论：
“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的 优美性和明晰性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”
,m
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r F
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r 经典力S学'的系绝：对时F空观', m
',ar
'
r F
'
m
'ar
'
对于不同空间地点不同时刻发生的事件
r 2 rr2 rr1 2 rr '2 rr '1 2 r '2 r 2 r '2
t t 2 t1 t '2 t '1 t '
t t '
狭义相对论的基本假设