1、对狭义相对论时空观的认识摘要：相对论是伟大物理学家爱因斯坦二十世纪初的杰作，是近代物理学的两大理论支柱之一，它的出现表征了时空观的伟大变革，为人类更好认识物质世界作出了卓越的成就。本文结合电动力学中关于相对论一章内容阐述了在狭义相对论下的时空观。主要从测量运动物体长度这个方面去认识狭义相对论的时空观，以说明长度收缩与时间膨胀是两个相互联系的相对论效应，时间与空间是一个不可分割的统一体，最终阐释狭义相对论的本质即其本质是在牛顿的三维绝对空间上再加一维时间。关键词：狭义相对论；时空观；长度收缩；时间膨胀；光速；引言：狭义相对论时空观是关于时间空间的理论, 它在高速(与真空中光速可比) 运动时才显现
2、出来,这个理论是爱因斯坦于1905 年建立的,在人们日常生活中所见到的多是低速(比真空中的光速小得多) 运动,如空气中的音速344 m/ s ;飞机的速率900 km/ h ;人造卫星的速率7. 9 km/ s ;而真空中的光速c = 3 108 m/ s 。这个速率太快了,所出现的现象在日常生活中见不到,所以,狭义相对论时空观很难理解。狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间，但目前为止，我们认识的物理世界只是四维，即三维空间加一维时间。四维时空是构成真实世界的最低维度，我们的世界恰好是四维，至于高维真实空间，
3、至少现在我们还无法感知。一把尺子在三维空间里（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，它的各坐标值均发生了变化，且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标，它与空间坐标是有联系的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种“此消彼长”的关系。四维时空不仅限于此，由质能关系知，质量和能量实际是一回事，质量（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，动量是描述物质运动的量，因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里，动量和能量实现了统一，称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度
4、，四维加速度，四维力，电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是，电磁场方程组的四维形式更加完美，完全统一了电和磁，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多，这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。伽利略曾经指出，运动的船与静止的船上的运动不可区分，也就是说，当你在封闭的船舱里，与外界完全隔绝，那么即使你拥有最发达的头脑，最先进的仪器，也无从感知你的船是匀速运动，还是静止。更无从感知速度的大小，因为没有参考。比如，我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用，作为狭义相对论的第一个基本原理：狭义相对性原理。其
5、内容是：惯性系之间完全等价，不可区分。著名的麦克尔逊莫雷实验彻底否定了光的以太学说，得出了光与参考系无关的结论。也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理光速不变原理。以上即是狭义相对论的两条基本原理的来源，他们比较具体的表述如下：1. 光速不变原理：真空中的光速与光源或接由器的运动无关 ,在各个方向都等于一个恒量 c ( c = 2. 997925 108 米 / 秒 ) 这就是说 ,在相对于光源作匀速直线运动的一切惯性参照系中 ,所测量的真空中的光速都相同。2.相对性原理：在彼此作匀速直线运动的一切惯性参照系中 ,物理学定律是相同
6、的。这就是说 ,在一个惯性参照系的内部 ,不能通过任何实验 (力学的、电磁学的、光学的 ) 测出该惯性参照系相对于其他惯性参照系的速度来。或者说 ,任何现象 ,对一切惯性参照系而言 ,进行的情况都是完全一样的。这两条基本原理形式虽然简单 , 但内极其丰富。根据光速不变原理导致了关于时间、空间概念的重大变革 ,表明空间和时间不再是分离的。它们构成了一个整体 , 而且与物质的运动有关空间和时间是物质的存在形式。根据光速不变原理可导出洛仑兹变换 ,真正赋予该变换以物理意义。由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度变换式等所有的狭义相对论内容。狭义相对论时空观告诉我们：运动的杆会缩短，运
7、动的时钟会变慢，同时是相对的。它是建立在洛仑兹变换之上，从根本上改变了古老的时空观。下面我们从测量一个运动物体的长度来说明长度收缩与时间膨胀是两个相互联系的相对论效应，从而使我们能更好地理解相对论原理。测量静止物体的长度时，只须分别读出物体的坐标x1和x2，便可由L0=x2-x1得到物体沿x方向的长度。L0是物体的静长，其大小与物体两端读数的先后无关。而对于一个运动的物体，其长度的测量怎样进行呢？由于物体前后坐标x1和x2都在不断的变化，两端读数的先后不同和时间差的大小，都会影响测量的结果。为此，有必要规定一个统一的测量方法，作为测量运动物体长度或物体运动长度的共同标准。这个标准就是“同时测量
8、”。那么，能否按同时测量的规定，直接由光速不变原理得到与洛仑兹变换相符合的长度收缩结果？对于一个运动的物体，按同时测量的规定，可以通过理想实验得到与洛仑兹变换相同的长度收缩结果。设静长为L0的物体MN以匀速v沿x方向在地上行驶，下面从两种在地上测量物体运动长度L的方法来说明这一问题。如图1，设物体前半部O点有一台闪光灯，在O点与地上O点重合时分别向M、N方向发出红绿光。若地上的观察者测得红绿光同时达到M、N两端，并且在它们到达时分别记下M、N在地上的对应位置M、N，则L=MN就是地上按同时规定测得的列车的运动长度。为了求得L与列车静长Lo的关系，假定红绿光在地面参照系中经相同时间达到MN后立即
9、发生正反射，于是，在地面上看，从M、N反射回去的红绿光，仍将经历相同的时间和相同的路程重新在O点会合。这样，红绿光的发出与会合，就成为地上同一O点先后发生的两个事件。设其时间间隔为t，则M、N之间的距离，也即列车的运动长度为L=ct。根据时间膨胀效应，在列车参照系中测量时，该两事件的时间间隔为t=t/。应该注意，尽管红绿光的发出与会合在车上不是同一地点，但在t时间内，两光的传播总路程仍是列车静长L0的两倍，而且每一条光的传播路程都等于L0，故L0=ct=ct/ =L/ ，由此可得出列车运动长度L=Lo/ 。再如图2，设列车前方N端于t1时刻经过地上M点，列车后方M端于t2时刻经过同一M。由于车
10、速为v，在t2时刻，N应该前进v(t2-t1)的距离到达地上N点，于是，M、N就是地上于t2时刻同时确定的列车两端的位置，因此，L=MN=v(t2-t1)=vt就是地上测量的列车运动长度，由于N、M重合和M、M重合是地上同一M点先后发生的两个事件，该t应为地上参照系中的本征时间。在列车参照系中的观察者看来，是地上M点以速率v沿反方向经过相距为列车静长Lo的N、M端，其时间间隔是t=Lo/v，以v=Lo/t代入前式，可得L=Lot/t。t和t为同样两事件在地上和列车参照系中的时间间隔，根据时间膨胀效应，应有t=t/ ，故t/t= ，也得L=Lo 。以上的讨论表明，长度收缩与时间膨胀是两个相互联系
11、的相对论效应，没有时间的膨胀，也就没有长度的收缩，时间与空间是一个不可分割的统一体。结语：综上我们来谈谈狭义相对论的本质狭义相对论是四维时空的数学框架，其本质和牛顿的三维绝对空间加一维时间相同。它只是对客观物理时间和空间的理论抽象，仅仅是一种数学合理化的抽象，是研究工作所利用的工具。运动中的尺子会“收缩” ，时钟会“变慢”都是因为我们用光做工具对运动物体进行测量的结果，如果不是用光做工具，或者不是对运动物体进行测量，就不会发生任何效应。因此原子钟环球飞行实验、 子衰变、质量增加等现象不能u用狭义相对论来解释，这些物理现象是高速运动物体客观上内在固有的真正的物理变化，而不同于狭义相对论的观测效应
12、，研究这些物理现象的本质将是现代物理学的一个重要命题。狭义相对论的这一性质，使我们更多地把它看成是用物理名义所阐发的哲学原则：即同一位观测者，观测同一个对象（物体） ，因为观测条件的不同（观测者坐标系相对于运动物体坐标系的运动状态）而得到完全不同的观测结果（尺缩钟慢） 。这样就说明了一个哲学原理：条件决定规律和观测结果。参考文献： 1郭硕鸿.电动力学M（第三版）.高等教育出版社，2008,6 2 刘辽，费保俊，张允中编著.现代物理基础丛书，狭义相对论（第二版）.科学出版社出版，2008，7 3 赵近芳.大学物理学.北京邮电大学出版社M,2006,2,103114. 4 王亚平.解析相对论. 黑龙江科学技术出版社M,2008,3,8497. 5 陈应天. 相对论时空. 海科技教育出版社M,2006,3,146176. 6 熊荣先. 相对论与近代时空观M .沈阳:辽宁出版社,1987. 7 怀国桢， 王文槿主编. 技术物理M.北京：高等教育出版社，2001，6
