大學物理小論文65261

1、 吉 首 大 學 JISHOU UNIVERSITY論 文 題 目 對狹義相對論的議論 學 生 姓 名 張博 學 號20144192023所 屬 學 院 生物資源與環(huán)境科學學院 專 業(yè) 年 級 植物科學與技術(shù)（2014）級 指 導 教 師 孫晶 職 稱 副教授 寫 作 時 間 2015年4月-2015年6月 對狹義相對論的議論【摘要】：狹義相對論是由愛因斯坦在洛侖茲和龐加萊等人的工作基礎上創(chuàng)立的時空理論，是對牛頓時空觀的拓展和修正。 愛因斯坦以光速不變原理出發(fā)，建立了新的時空觀。進一步，閔科夫斯基為了狹義相對論提供了嚴格的數(shù)學基礎， 從而將該理論納入到帶有閔科夫斯基度量的四維空間之幾何結(jié)構(gòu)中。

2、【關(guān)鍵詞】：愛因斯坦、狹義相對論、時空觀一、 歷史背景牛頓力學是狹義相對論(Special Relativity)在低速情況下的近似。伽利略變換與電磁學理論的不自洽 到19世紀末，以麥克斯韋方程組為核心的經(jīng)典電磁理論的正確性已被大量實驗所證實，但麥克斯韋方程狹義相對論基本原理組在經(jīng)典力學的伽利略變換下不具有協(xié)變性。而經(jīng)典力學中的相對性原理則要求一切物理規(guī)律在伽利略變換下都具有協(xié)變性。在這樣的背景下，才有了狹義相對論。二、 狹義相對論基本思想1.相對性原理：物理定律在所有慣性系中都具有相同的數(shù)學形式。 2光速不變原理：真空中的光速是與慣性系無關(guān)的常數(shù)。 3洛侖茲坐標變換（沿z軸方向）： X=(x

3、-ut) Y=y Z=z T=(t-ux/c2) 4速度變換： V(x)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c2) V(y)=v(y)/(1-v(x)u/c2) V(z)=v(z)/(1-v(x)u/c2) 5尺縮效應：L=l/或dL=dl/ 6鐘慢效應：t=或dt=d/ 7光的多普勒效應：(a)=sqr(1-)/(1+)(b) （光源與探測器在一條直線上運動。） 8動量表達式：P=Mv=mv,即M=m 9相對論力學基本方程：F=dP/dt 10質(zhì)能方程：E=Mc2 11能量動量關(guān)系：E2=(E0)2+P2c2三、 誕生和發(fā)展過程 19世紀末期物理學家湯姆遜在一次國際會議上講到“物理學大廈已

4、經(jīng)建成，以后的工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷”。但是，他話鋒一轉(zhuǎn)又說：“大廈上空還漂浮著兩朵烏云，麥克爾遜莫雷試驗結(jié)果和黑體輻射的紫外災難?！闭菫榱私鉀Q上述兩問題，物理學發(fā)生了一場深刻的革命導致了相對論和量子力學的誕生。 早在電動力學麥克斯韋方程建立之日，人們就發(fā)現(xiàn)它沒有涉及參照系問題。人們利用經(jīng)典力學的時空理論討論電動力學方程，發(fā)現(xiàn)在伽利略變換下麥克斯韋方程及其導出的方程（如亥姆霍茲，達朗貝爾等方程）在不同慣性系下形式不同，這一現(xiàn)象應當怎樣解釋？經(jīng)過幾十年的探索，在1905年終于由愛因斯坦創(chuàng)建了狹義相對論。 相對論是一個時空理論，要理解狹義相對論時空理論先要了解經(jīng)典時空理論的內(nèi)容。 愛因斯坦于

5、1922年12月有4日，在日本京都大學作的題為我是怎樣創(chuàng)立相對論的？的演講中，說明了他關(guān)于相對論想法的產(chǎn)生和發(fā)展過程。他說：“關(guān)于我是怎樣建立相對論概念這個問題，不太好講。我的思想曾受到那么多神秘而復雜的事物的啟發(fā)，每種思想的影響，在生活幸福論概念的發(fā)展過程中的不同階段都不一樣我第一次產(chǎn)生發(fā)展相對論的念頭是在17年前，我說不準這個想法來自何處，但是我肯定，它包含在運動物體光學性質(zhì)問題中，光通過以太海洋傳播，地球在以太中運動，換句話說，即以太對地球運動。我試圖在物理文獻中尋找以太流動的明顯的實驗證據(jù)，但是沒有成功。隨后，我想親自證明以太相對地球的運動，或者說證明地球的運動。當我首次想到這個問題的

6、時候，我不懷疑以太的存在或者地球通過以太的運動?！庇谑牵O想了一個使用兩個熱電偶進行的實驗：設置一些反光鏡，以使從單個光源發(fā)出的光在兩個不同的方向被反射，一束光平行于地球的運動方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在兩個反射光束間的能量差的話，就能用兩個熱電偶測出產(chǎn)生的熱量差。雖然這個實驗的想法與邁克爾遜實驗非常相似，但是他沒有得出結(jié)果。 愛因斯坦說：他最初考慮這個問題時，正是學生時代，當時他已經(jīng)知道了邁克爾遜實驗的奇妙結(jié)果，他很快就得出結(jié)論：如果相信邁克爾遜的零結(jié)果，那么關(guān)于地球相對以太運動的想法就是錯誤的。他說道：“這是引導我走向狹義相對論的第一條途徑。自那以后，我開始相信，雖然地球圍繞

7、太陽轉(zhuǎn)動，但是，地球運動不可能通過任何光學實驗探測出來?！?愛因斯坦有機會讀了洛倫茲在1895年發(fā)表的論文，他討論并完滿解決了u/c的高次項（u為運動物體的速度，c為光速）。然后愛因斯坦試圖假定洛倫茲電子方程在真空參照系中有效，也應該在運動物體的參照系中有效，去講座菲索實驗。在那時，愛因斯坦堅信，麥克斯韋洛倫茲的電動力學方程是正確的。進而這些議程在運動物體參照系中有效的假設導致了光速不變的概念。然而這與經(jīng)典力學中速度相加原理相違背。 為什么這兩個概念互相矛盾。愛因斯坦為了解釋它，花了差不多一年的時間試圖去修改洛倫茲理論。一個偶然的機會。他在一個朋友的幫助下解決了這一問題。愛因斯坦去問他并交談討

8、論了這個困難問題的各個方面，突然愛因斯坦找到了解決所有的困難的辦法。他說：“我在五周時間里完成了狹義相對論原理?！?愛因斯坦的理論否定了以太概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質(zhì)存在的特殊形式，并對空間、時間的概念進行了深刻的分析，從而建立了新的時空關(guān)系。他1905年的論文被世界公認為第一篇關(guān)于相對論的論文，他則是第一位真正的相對論物理學家。四、狹義相對論的反對者長期以來，狹義相對論專家總是讓公眾無法理解狹義相對論；而公眾卻不得不把它奉為偉大真理；這是對公眾智慧的藐視和褻瀆。狹義相對論已成當代科學發(fā)展的障礙。從對微觀世界認知的困惑直到宇宙學的混亂，一大禍根便是狹義相對論。狹義相對論及其包涵的相對

9、主義實證論的負面影響已滲透到了社會生活的方方面面。當前社會上封建迷信活動和偽科學如此猖獗，與狹義相對論關(guān)系緊密。時下盛行的一些歪理邪說大多源于狹義相對論及其衍生品，如“第4度空間”、“時間隧道”，“宇宙大爆炸”、“黑洞”等一類偽學說。例如霍金說他可以和牛頓和愛因斯坦同桌打牌、科幻電影中漂亮女孩通過時間隧道去與歷史上的皇帝談情說愛等，都是鬼神論的代表。說狹義相對論是它們的理論總靠山并不為過。勿庸置疑，狹義相對論是當代科學，特別是基礎理論發(fā)展的嚴重障礙。維護與反對狹義相對論的斗爭，不僅是學術(shù)上的爭論，是科學史上的一次撥亂反正，還是一場唯心主義與唯物主義的斗爭。五、狹義相對論的命運，學者對狹義相對論

10、的議論（1）拋棄狹義相對論是歷史的必然?！扒嗌綋醪蛔?，畢竟東流去”。著名理論物理學家韋斯雷博士說的對：“相對論時代已告終結(jié)”。科學界正面臨一場空前的革命，任何勢力都無法阻擋?？茖W要發(fā)展、學術(shù)要交流，批判不可少。沒有學術(shù)爭鳴、沒有學術(shù)批判，科學的發(fā)展就會停滯不前。更何況在我們面前的，是個邏輯錯誤、謬誤百出的狹義相對論。科學總是在檢討、拋棄錯誤的理論或揚棄舊學說、舊理論中發(fā)展的。狹義相對論的荒誕觀念、錯誤理論不清算，現(xiàn)代迷信活動和偽科學便不會銷聲匿跡。一言概之，狹義相對論不批判、科學發(fā)展的障礙不除，發(fā)展精神文明的阻力就總存在。批判狹義相對論、正本清源，是科學持續(xù)發(fā)展、人類文明進步的需要。它事關(guān)世界

11、科學的前途、人類自身的命運?？镎A理論其實是一項投資最小、花費最少、獲益最豐、影響最深遠的明智之舉。從普及基礎科學知識、提高全民素質(zhì)入手，推動知識經(jīng)濟的發(fā)展，是一樁功在當代惠澤千秋的事業(yè)，其現(xiàn)實意義和歷史意義是不可估量的。創(chuàng)新是一個民族進步的靈魂。中國學子有責任也有能力在這場科學革命中為科教興國戰(zhàn)略，搶占基礎科學制高點，使祖國躋身于世界先進科技國家行列，做出前人未曾做過的歷史性貢獻。解放思想、務實求真，開展對狹義相對論的批判，實乃科教興國之必需，刻不容緩。（2）推翻狹義相對論已經(jīng)具備了如下條件：經(jīng)過唯物主義、實事求是和科學發(fā)展觀的教育，涌現(xiàn)出了一批既認識到狹義相對論的錯誤和危害、又敢于向狹義

12、相對論提出挑戰(zhàn)的科學家。party和國家的百花齊放、百家爭鳴的方針和改革開放的政策，為挑戰(zhàn)狹義相對論創(chuàng)造了比較好的社會環(huán)境。研究發(fā)現(xiàn)，相對論專家說的用牛頓時空觀“無法解釋”而只能用相對論“解釋”的現(xiàn)象，都可以用牛頓時空觀解釋，而且沒有“佯謬”。網(wǎng)絡技術(shù)的發(fā)展為學術(shù)思想的傳播搭建了一個廣闊的舞臺。（3）推翻狹義相對論還需要一個相當長的時間。由于，100年的宣傳，使狹義相對論在世人中產(chǎn)生了比較深的影響；以宣傳狹義相對論為職業(yè)的狹義相對論維護者還占有學術(shù)的統(tǒng)治地位；多數(shù)人對狹義相對論不理解、不關(guān)心；所以，推翻狹義相對論還需要一定的時間，還要付出犧牲?！究偨Y(jié)】狹義相對論建立以后，對物理學起到了巨大的推

13、動作用。并且深入到量子力學的范圍，成為研究高速粒子不可缺少的理論，而且取得了豐碩的成果。然而在成功的背后，卻有兩個遺留下的原則性問題沒有解決。第一個是慣性系所引起的困難。拋棄了絕對時空后，慣性系成了無法定義的概念。我們可以說慣性系是慣性定律在其中成立的參考系。慣性定律的實質(zhì)是一個不受外力的物體保持靜止或勻速直線運動的狀態(tài)。然而“不受外力”是什么意思?只能說，不受外力是指一個物體能在慣性系中靜止或勻速直線運動。這樣，慣性系的定義就陷入了邏輯循環(huán)，這樣的定義是無用的。我們總能找到非常近似的慣性系，但宇宙中卻不存在真正的慣性系，整個理論如同建筑在沙灘上一般。第二個是萬有引力引起的困難。萬有引力定律與

14、絕對時空緊密相連，必須修正，但將其修改為洛倫茲變換下形勢不變的任何企圖都失敗了，萬有引力無法納入狹義相對論的框架。當時物理界只發(fā)現(xiàn)了萬有引力和電磁力兩種力，其中一種就冒出來搗亂，情況當然不會令人滿意。 愛因斯坦只用了幾個星期就建立起了狹義相對論，然而為解決這兩個困難，建立起廣義相對論卻用了整整十年時間。為解決第一個問題，愛因斯坦干脆取消了慣性系在理論中的特殊地位，把相對性原理推廣到非慣性系。因此第一個問題轉(zhuǎn)化為非慣性系的時空結(jié)構(gòu)問題。在非慣性系中遇到的第一只攔路虎就是慣性力。在深入研究了慣性力后，提出了著名的等性原理，發(fā)現(xiàn)參考系問題有可能和引力問題一并解決。幾經(jīng)曲折，愛因斯坦終于建立了完整的廣義相對論。廣義相對論讓所有物理學家大吃一驚，引力遠比想象中的復雜的多。至今為止愛因斯坦的場方程也只得到了為數(shù)不多的幾個確定解。它那優(yōu)美的數(shù)學形式至今令物理學家們嘆為觀止。就在廣義相對論取得巨大成就的同時，由哥本哈根學派創(chuàng)立并發(fā)展的量子力學也取得了重大突破。然而物理學家們很快發(fā)現(xiàn)，兩大理論并不相容，至少有一個需要修改。于是引發(fā)了那場著名的論戰(zhàn)：愛因斯坦VS哥本哈根學派。直到現(xiàn)在爭論還沒有