當前位置: 華文問答 > 科學

解讀狹義和廣義相對論,其實並不是我們想象的那麽難!

2024-10-20科學

在當代物理學界,愛因史坦無疑是群星中最耀眼的一顆。他不僅是現今的光輝,更將永載未來歷史的璀璨星空。很難斷言,他和牛頓誰更居功,但無可否認,他們的偉大堪比天際。我本人傾向於認為,愛因史坦可能更勝一籌,因為他的科學貢獻深深地滲透進了人類的智識之中。

牛頓提出的相對性原理指出:

在一參照系內,物體運動遵從牛頓運動定律,換到相對於該系作勻速直線運動的任一新參照系中,物體運動仍遵循牛頓運動定律。

言下之意,一個物體的勻速直線運動並不會引起任何可觀測的力學效應。

空間不過是我們用來描述物體相對位置的工具,若空間中並無物質,那麽空間本身便失去了意義。

1860年,馬克士威總結了電磁現象的規律,提出了著名的馬克士威方程式組,為經典電磁理論奠定了基礎。隨後,勞侖茲探究電磁現象是否符合牛頓的相對性原理,結果顯示,馬克士威方程式組並不具有伽利略變換的協變性。例如,光在真空中的速度c是恒定的,與光源或觀察者的運動方向無關,也與所選的慣性系無關。這就表明,在牛頓的絕對時空觀以及伽利略變換下的電磁學並不滿足相對性原理。

愛因史坦的狹義相對性原理則認為:

所有慣性參照系的地位平等,也就是說,所有基本的物理規律(不包括重力)在任何慣性系中具有相同的數學形式。

而光速不變原理告訴我們:

在任何慣性系中,真空中的光速保持不變。

關於宇宙空間的有限或無限問題,愛因史坦並未給出直接解答,因為整個宇宙本身並非我們直接經驗的物件,我們無法想象空間的邊界,也無法想象無邊無際的空間。

只有那些符合狹義相對性原理的物理規律才是正確的,而牛頓重力理論並不滿足這一原理,這表明它並非完備的重力理論。不僅是牛頓力學,連同電磁理論等物理規律,都僅在慣性系內有效,一旦進入非慣性系,它們便不再成立。換言之,對於物理規律而言,慣性系和非慣性系並不對等,這表明狹義相對性原理有其局限之處。因此,愛因史坦將狹義相對性原理推廣到所有參照系,由此奠定了廣義相對論的基礎,涵蓋了時間、空間和重力。

在日常經驗裏,時間和空間的概念看似清晰明了,然而一旦置於深奧科學的顯微鏡下,它們似乎充滿了悖論,所有邏輯推理都似乎纏繞著矛盾的亂麻。

等效原理指出:

一個均勻的重力場與一個作勻加速運動的參照系是等價的,這意味著重力品質與慣性品質,重力與慣性力都是等價的。

廣義相對性原理則認為:

所有參照系,無論是慣性還是非慣性系,在描述自然規律時都同樣有效。這意味著所有的物理規律可以用與參照系無關的量來表示,用幾何的語言來說,就是任何在物理規律中出現的時空量,都應由該時空的度規或其他匯出量來描述。

愛因史坦的狹義和廣義相對論不僅開啟了人類思維的新領域,直接或間接催生了量子力學的誕生,而且將統一場論的難題留待未來的探索。無論如何,他的思想和他的理論一樣,已在人類歷史長河中留下了不可磨滅的銘印。