《爱因斯坦相对论》--时空观
相对论时空观解析
相对论时空观解析
相对论时空观是指爱因斯坦的特殊相对论和广义相对论中对时空的理解。
这一理论从根本上改变了牛顿的经典力学中关于时间和空间的认识。
特殊相对论中，爱因斯坦提出了“光速不变原理”，即光速在任何运动状态下都是不变的。
这一原理颠覆了以往对时间和空间的绝对观念，提出了“相对论时空观”。
在相对论中，时间和空间不是分离的，而是构成一个“时空”的整体。
同时，因为物体的运动状态会影响时空的结构，所以时空也是相对的。
广义相对论进一步丰富了相对论时空观。
它将万有引力理解为时空的弯曲，即物体和物质会影响周围的时空结构，造成时空的扭曲。
这种扭曲进一步影响其他物体的运动状态和运动轨迹，使得牛顿力学中的引力概念受到了颠覆。
相对论时空观被广泛应用于现代物理学的各个领域，包括天文学、高能物理学、量子物理学等。
它对现代科学的发展产生了深远的影响。
同时，相对论时空观也具有哲学上的启示意义，使我们对时间、空间和世界本质的理解有了更为深刻的认识。
爱因斯坦狭义相对论时空观的主要内容
爱因斯坦狭义相对论时空观的主要内容相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。
相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。
奠定了经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观条件下的物体。
相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。
相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”，“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。
狭义相对论，是只限于讨论惯性系情况的相对论。
牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。
相对于一个惯性系来说，在不同的地点、同时发生的两个事件，相对于另一个与之作相对运动的惯性系来说，也是同时发生的。
狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。
同时性问题是相对的，不是绝对的。
在某个惯性系中在不同地点同时发生的两个事件，到了另一个惯性系中，就不一定是同时的了。
在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。
宇宙的概念: 宇宙是由空间、时间、物质和能量，所构成的统一体。
是一切空间和时间的综合。
宇宙的标准模型概念: 大爆炸模型,宇宙是在过去有限的时间之前，由一个密度极大且温度极高的太初状态演变而来的，并经过不断的膨胀到达今天的状态。
赫罗图的概念: 这张图是研究恒星演化的重要工具，赫罗图是恒星的光谱类型与光度之关系图，赫罗图的纵轴是光度与绝对星等，而横轴则是光谱类型及恒星的表面温度，从左向右递减。
黑洞的概念: 黑洞是一种引力极强的天体，就连光也不能逃脱。
当恒星的史瓦西半径小到一定程度时，就连垂直表面发射的光都无法逃逸了。
这时恒星就变成了黑洞。
虫洞的概念：“虫洞”就是连接宇宙遥远区域间的时空细管。
6.1：相对论时空观与洛伦兹变换
和
x 0
t
t u2 1 2 c
1 u 1 2 c
2
1
t t
原时最短,运动的时钟变慢。
反之，若在 S 中同一地点先后发生的两事件，其固有时 间间隔为 t ，在 S 中不同地点的同步钟测得的两事件的时 间间隔为 t ，则： 由洛仑兹逆变换 u t 2 x c t 和 2 u 1 2 c
迈克尔孙-莫雷实验
L1 L1 2 L1 t|| cu cu c
v
1 u2 1 2 c 1
2
光地 c
光以 u 以地
M2 M 1
2 L2 t 2 2 2 c c u
L2
L2
S 半透半反膜
2 G1
G2
M1 1
2 L1 t t|| t ( u2 c 1 2 c 旋转仪器 90
y
S
y
S
x k ( x' ut ' )(1)
对O'点：S系：x = ut, x –ut = 0, S'系：x' = 0
x' k ( x ut )( 2)
t = t' = 0 时，从原点发出一光信号
o
P r r
o
u
x
x
狭义相对性原理：物理规律对所有惯性系等价
k k
序 言
迈克尔逊--莫雷实验 牛顿力学
经典物理
经典麦克斯韦电磁学
经典统计物理
热辐射的紫外灾难
第六章 （狭义）相对论基础 (Theory of Special Relativity)
§6、1 牛顿相对性原理和伽利略变换---- 经典时空观(The principle of relativity and Calileo transformation) 一、牛顿相对性原理(Principle of relativity of Newton) 经典力学最主要的基本内容和基本观点：
7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性
v c
)2<1,所以总有l<l0,此种情况称为长度收缩
效应。
【思考】 一架飞机在上海杨浦大桥上空匀速飞过,飞机飞行方 向与大桥平行,问飞机上的乘客看到的大桥长度与静 止观察时相比有什么变化? 提示:变短了。
二、牛顿力学的成就与局限性
1.牛顿力学的成就:从地面上物体的运动到天体的运动, 都服从_牛__顿__力__学__的规律。 2.牛顿力学的局限性: (1)微观世界:电子、质子、中子等微观粒子,发现它们 不仅具有粒子性,同时还具有波动性,它们的运动规律 在很多情况下不能用牛顿力学来说明。 (2)牛顿力学只适用于低__速___运动,不适用于_高__速__运动。
5.相对论时空观与牛顿力学的局限性
一、相对论时空观
1.爱因斯坦两个假设: (1)在不同的惯性参考系中,物理规律的形式都是_相__同__的; (2)真空中的光速在不同的参考系中大小都是_相__同__的。
2.时间延缓效应: 如果相当于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与 其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ,地 面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时
【解析】当火箭速度较低时,火箭上的人看到铁路的长 度基本不变,还是100 km。 当火箭的速度达到0.6c时,由相对论长度公式
l= l0
1－( v )2 c
代入相应的数据得: l=100×1－0.k6m2 =80 km。
【课将来,离子推进发 动机驱动的宇宙飞船很可能会用于宇宙航行,这种飞 船能以接近光速飞行。设想在以0.9c飞行的飞船上打 开一个光源,则下列说法正确的是( )
A.飞船正前方的观察者看到的光速为1.9c B.飞船正后方的观察者看到的光速为0.1c C.在垂直飞船前进方向上的观察者看到的光速是 D.在任何地方的观察者看到的光速都是c
牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一
牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对论时空观的统一殷业上海师范大学信息与机电工程学院，上海200234yinye@摘要：时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。
从亚里士多德、伽利略、牛顿到爱因斯坦，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但这些答案还不是最终答案。
本文分析了历史上存在的各种时空观，从笛卡尔的“物质空间”思想出发重新审视了时间和空间的关系，通过分析说明：不同的“物质空间”中时间是不同的，从而获得了对牛顿绝对时空观和爱因斯坦相对时空观的统一认识。
关键词：虚空；物质空间；绝对时间；相对时间；相对论；牛顿力学中图分类号：O412 文献标识码：A0. 引言时空观是物理理论的基石，也是自然科学的基石，因为存在的一切都发生在一定的时间和空间之中。
从亚里士多德、伽利略、牛顿[1]到爱因斯坦[2]，每一个伟大的物理学家都对时间和空间是什么做过回答，但他们的答案还不是最终答案。
以上四位伟人对时空的答案，有一个共同点，就是时间和空间只有一种，但以笛卡尔的“物质空间”思想[3,4,14]为基础的时空观中，时间和空间可分成两种，一种是“虚空”中的时间和空间，对应“牛顿的绝对时间和空间”，另一种是“物质空间”中的时间和空间，对应“爱因斯坦的相对时间和空间”，前一种时间是空间无关的，后一种时间是空间相关的，所以在“物质空间时空观”中牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观可以得到了统一，下面我们对这两种不同的时间和空间的有关问题进行讨论。
1. 虚空和物质空间牛顿在“原理”[1]中阐述的绝对空间是：“绝对空间就其自身特性与一切外在事物无关，处处均匀，永不移动”。
牛顿的绝对空间有如下几层含义，（1）绝对空间是真实感知空间的抽象；我们可以设想一个玻璃围成的正方体，假设这个玻璃正方体相对绝对空间静止，将玻璃正方体中的所有物质抽去（包括引力场），并让玻璃壁变得无限薄，并最终消失，这样得到的玻璃正方体围成的空间，就是绝对空间。
相对论---关于时空观及时空与物质关系的理论
u
ut
•P
O O x
x
x x
z
z t=0时，两者重合
点P在两坐标系中的关系:
若认为同一事件在两系中同时 刻发生:
x x ut
y
y
z z
伽利略坐标变换对时间求导
x x ut
y y z z
或
x x ut y y z z
爱因斯坦认为：物质世界的规律应该是和谐 统一的，麦克斯韦方程组应对所有惯性系成立。 在任何惯性系中光速都是各向为c，这样就自然 地解释了迈克耳孙—莫雷实验的零结果。
Albert Einstein ( 1879 – 1955 )
20世纪最伟大的物理学家,于1905年和1915年先后 创立了狭义相对论和广义相对论,他于1905年提出了光 量子假设,为此他于1921年获得诺贝尔物理学奖,他还在 量子理论方面具有很多的重要的贡献 .
由洛伦兹变换:
t tb ta
tb
u c2
xb
ta
u c2
xa
u c2
( xa
xb )
0
2.在一个惯性系中即同时又同地发生的两事件呢?
x xb xa 0, t tb ta 0
则:
t
tb
t
u c2
x
1u2 / c2
v信号
x2 t2
x1 t1
c
t (1 u x) 1 u2 / c2 c2 t
t 与 t 同号
二 长度缩短
牛顿力学和爱因斯坦相对论的时空观
牛顿力学和爱因斯坦相对论的时空观直至20世纪初，科学家们以牛顿力学为基础，一直认为宇宙是一个几何空间，它是静止的，可以被放大或缩小，但不能改变其形状。
然而，当爱因斯坦在1905年提出相对论时，宇宙的结构发生了重大变化。
爱因斯坦将时间和空间单元化，它提出了时间和空间是一体的概念，它们是相互影响和紧密联系的。
爱因斯坦将时间和空间组合成一个空间-时间宇宙，被称为时空。
时空宇宙是一个弯曲的几何空间。
它可以在任何点改变宇宙的形状和大小，从而对重力和其他力做出反应。
时空宇宙的变形是由物体的质量和速度来决定的，因此，当物体运动时，时空宇宙的形状和大小也会改变。
时空的概念改变了我们对宇宙的看法，被称为特殊相对论（Special theory of relativity）。
特殊相对论认为宇宙中的物体之间的距离和时间是相关的，它们是相对的而不是绝对的。
宇宙的形状是可变的，它可以由物体的质量和速度来决定。
特殊相对论也改变了物理学中的许多概念。
它解释了质能方程，即物质和能量之间相互转化的概念，从而改变了物理学中能量的概念。
它还改变了物理学中动量的概念，引入了新的动量定律，即爱因斯坦动量定律。
另一个重要的概念是时空弯曲力学（general theory of relativity），据此，物质不仅会改变宇宙的结构，还会影响宇宙的结构。
时空弯曲力学是源自爱因斯坦的时空的一种物理理论，它将重力视为时空弯曲的结果，这种弯曲是由物质、能量和动量所引起的。
这些理论不仅改变了我们对宇宙结构的认识，也改变了我们对时间和空间的认识，它们统一了时间和空间的概念，让我们认识到时间和空间之间的关系是微妙的、复杂的，它们可以互相影响，并且形成宇宙的核心部分。
因此，牛顿力学和爱因斯坦相对论改变了我们对宇宙的根本认识，它们实现了科学家对宇宙的新的时空观，这些理论在宇宙科学领域发挥着巨大的作用。
爱因斯坦相对论时空观
爱因斯坦相对论时空观
爱因斯坦相对论时空观是现代物理学史上一次伟大的革命。
相对论时空观发明了一种全新的空间和时间的概念，推翻了经典牛顿物理学的观点，成为后来相对论物理学和量子力学的基石。
下面我们一起来了解一下爱因斯坦相对论时空观的重要内容。
1. 空间和时间的统一
在爱因斯坦相对论时空观中，空间和时间是不可分割的，它们构成了一个四维空间时间。
这个四维空间时间的度量不再是绝对的，而是相对的，取决于物体的运动状态。
这样一来，牛顿经典物理学中的“绝对空间”和“绝对时间”就不再存在了。
2. 速度限制
在爱因斯坦相对论时空观中，光速是唯一不变的物理常数，它是所有运动物体所能达到的最大速度。
当物体的速度逼近光速时，它的质量会增加，时间会变慢，长度会缩短。
这些现象成为“时间膨胀”和“长度收缩”。
3. 相对论质能关系
爱因斯坦相对论时空观还提出了质能等价原理（E=mc²），这种质能等价关系表明，质量和能量是可以相互转化的，其中c代表光速。
这个
公式的发现推动了后来原子弹和核能的发展。
4. 引力场
相对论时空观也改变了我们对引力的理解。
牛顿引力定律认为，物体之间的引力效应是由于它们之间的万有引力作用引起的。
而相对论时空观则认为，引力是由物体所在空间的弯曲产生的。
引力场的强度和物体的质量有关，被描述为时空弯曲。
总结：
以上内容仅仅是爱因斯坦相对论时空观的一些要点，不仅涉及到科学哲学、自然哲学、数学等多学科，也具有经典性和普遍性，对于理解整个宇宙的演化和自然规律有很大的帮助。
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Observers in different inertial frames can not by experiment tell which of them is moving and which is at rest.
物理量
某种操作 如坐标变换
Invariance
力学或伽利略相对性原理
力学定律
麦克斯韦 方程组
Galilean Transformation
Galilean Transformation
Invariance
不具备 伽利略 变换的 不变性
4
4
1.3 时空观
1.3.2.牛顿时空观的困难2 •Fizeau Experiment(1851)
u
a2
2 t t2 t1 c (
2
1
u2 c2
1
1
u2 c2
)
7
7
1.3 时空观
若实验装置旋转90度,时间差又为:
t ' t2'
那么:
t1'
2 c
( 1
2 u
c
2 2
1 ) u
1
u2 c2
c
a uM1b2
2
t '
t
2 c
(
1 2
1
u2 c2
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1 2
1
u2 c2
)
b2
M2
b1 c u
Einstein’s First Postulate The laws of physics are the same in all inertial references.
—— Principle of relativity
Einstein’s Second Postulate The speed of light in empty space is the same in all inertial frames and is independent of the motion of the source..
a1 M1
1 a2 c2 u2
a2
8
8
1.3 时空观
t' t
2 c
(
1 2
1
u c
2 2
1 2
1
u c
2 2
)
考虑地球公转速率u=3104m/s 光速c=3108m/s
预言
0.4个条 纹的移动
零结果 不超过0.01
否定以太存在 否定伽利略变换
实验设计方面成就突出而获得诺贝尔奖
9
1.3 时空观
10
1.3 时空观
Einstein 的相对论分为:
1.狭义相对论 1905
special relativity “论动体的电动力学”论 文2 .广义相对论 1915
爱因斯坦: Einstein 1879——1955
现代时空的创始人
general relativity 所有的参考系平权 惯性系，非惯性系 平权
1.3 时空观
1.3 时空观 ➢物理定律的对称性 •运动的相对性
•绝对时空观
•绝对时空观的困难
•相对论的时空观
1
1.3 时空观 ➢ Relativity principle in Newtonian mechanics
All laws of mechanics look the same in all inertial frames.
二十世纪的哥白尼
11
1.3 时空观
12
12
1.3 时空观
现在我们来讨论洛伦兹、庞加莱、爱因斯坦的 三项贡献。这些贡献包含着推理的方法和成为相对 论基础的一些发展。就年代来讲，洛伦兹的文章发 表的最早。尤其是他证明了，假定在带撇的系统中 适当地选择场强，则麦克斯韦方程对坐标变换是不 变的。……庞加莱弥补了洛伦兹工作中遗下的形式 上的缺陷，他指出相对性原理是普遍而严格成立 的。……最后，爱因斯坦完成了这一新原理的基本 表述，他的1905年的论文几乎是和庞加莱的文章同时 发表的，但他写文章时，事先并不知道洛伦兹1904年 的论文。爱因斯坦的论文不仅包括了其他两篇论文 的主要结果，并揭露了一些新的东西，而且更深刻 地了解到整个问题。
—— Principle of invariant light speed
All inertial frame is the equivalence.
➢Special relativity
➢General principle of relativity.
1.3 时空观
1.3.2.牛顿时空观的困难1
为什么
x x uIst an Ether Necessary？
y y
——W.泡利（W.Pauli,1900-1958) 13 13
1.3 时空观
Albert Einstein 1879-1955
H.Poincare 1854-1912
H.A.Lorentz 1853-1928
14
14
1.3 时空观
15
1.3 时空观
1.3.2.2 狭义相对论的基本假设The Einstein Postulates
水流
两个游泳者？ 分先后到达 以太风
两束光束？
条纹是否 移动？
6
6
1.3 时空观
Michelson-Morley Experiment
t1
1 cu
1 cu
21 c
( 1
1
u2 c2
)
a
M1b2
2
t2
22 22 c2 u2 c
1
1
u2 c2
b2
M2
b1
c2 u2
a1 M1 c u
1 a2 c u
（A.H.L.Fizeau,1819-1896)
v
v
v
设曳引系数k
11
t 2l( )
c n
kv
c n
kv
4lkv
(
c n
)2
k
2v
2
考虑v<<c,有
t 4lkvn2 / c2
v=0 v≠0
条纹移动
测出k值
5
5
1.3 时空观
迈克耳孙---莫雷实验Michelson-Morley Experiment1887
关于相对性原理的思考 Symmetry is at the heart of modern physics
1904年庞加莱肯定了电磁学规律应该 满足相对性原理
1894年菲兹杰惹为解释莫雷实验提出 物体沿运动方向缩短的设想
缩短因子 1 u2 / c2
1893年洛仑兹独立提出相同假设，并 从电子论导出崭新的时空变换关系— —洛仑兹变换
z z
vx vx u
是麦克斯韦方程不满足 相对性原理？
t t
vy vy ax ax
vz vz
ay ay
还是需要引入 另一种变换？
Galilean relativity az az
1.3 时空观
SYMMETRY IN PHYSICS
Symmetry is at the heart of modern physics