淺談我對(duì)時(shí)空的認(rèn)識(shí)(編輯修改稿)
2024-10-10 16:13 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 Δ y≥ 2? 上式表明 , 微觀粒子的坐標(biāo)和動(dòng)量不能同時(shí)確定。牛頓力學(xué)的軌道概念在微觀領(lǐng)域失去意義。 6. 按照牛頓理論的觀點(diǎn)能量是連續(xù)變化的 ,但在微觀領(lǐng)域 ,實(shí)驗(yàn)觀測到的原子光譜是分立的 ,說明微觀領(lǐng)域的粒子能量可以取分立值。 牛頓力學(xué)及其時(shí)空觀念 ,在人類對(duì)自然相 現(xiàn)象的觀測和實(shí)驗(yàn)中遇到的困難還有很多 ,以上只是選擇了一些比較重要的 ,并能和中學(xué)教學(xué)相聯(lián)系的典型例子。從以上這些例子可以看出牛頓力學(xué)是有一定的適用范圍的。 四、狹義相對(duì)論時(shí)空觀 1．狹義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ) 在光學(xué)和電磁學(xué)的發(fā)展中產(chǎn)生的以太學(xué)說 ,使牛頓時(shí)空觀有了另外一種表現(xiàn)形式 ,絕對(duì)靜止的以太充當(dāng)了絕對(duì)空間的物質(zhì)背景 ,而借助于相對(duì)以太恒定的運(yùn)動(dòng)速度 ,用統(tǒng)一的時(shí)間將彼此遠(yuǎn)離和彼此有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的事物聯(lián)系起來使它們的“同步性 ” 有了絕對(duì)的意義。為絕對(duì)時(shí)間做出了論證。 牛頓時(shí)空觀借助以太觀念在物理學(xué)中得以鞏固。因而當(dāng) 牛頓力學(xué)遇到困難時(shí)、尤其是在電磁波的傳播規(guī)律研究的過程中，人們發(fā)現(xiàn) ,由描述電磁現(xiàn)象基本規(guī)律的麥克斯韋方程組 ,可以得到波動(dòng)方程 ,并由此得出電磁波在真空中的傳播速度為光速 C。按照牛頓的時(shí)空觀念 , 電磁波在真空中的傳播速度為光速 C(相對(duì)于靜止的以太 ),則變換到一個(gè)相對(duì)以太勻速運(yùn)動(dòng)其它參考系 ,電磁波的傳播速度就不再是光速 C 了 ,經(jīng)典力學(xué)的力學(xué)相對(duì)性原理在電磁現(xiàn)象中就不再成立 ,因而由電磁現(xiàn)象就可以確定一個(gè)特殊參考系 ,并可以把相對(duì)這個(gè)參考系的絕對(duì)運(yùn)動(dòng)判別出來。是九世紀(jì)末 ,人們開始研究以太的性質(zhì) ,并開始了研究地球及其他物體 相對(duì)以太 (特殊參考系 )的運(yùn)動(dòng)的大量實(shí)驗(yàn) 。其中比較重要的有以下幾個(gè)實(shí)驗(yàn) :邁克爾遜 — 莫雷實(shí)驗(yàn) (1887年 )、斐索實(shí)驗(yàn) (1851年 )、光行差實(shí)驗(yàn) (1727年 )。綜合所有實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論 :以太并不存在 ,光速不依賴于觀察者所在的參考系 ,而且與光源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)。這些實(shí)驗(yàn)事實(shí)為狹義相對(duì)論的建立提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。 在這些實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上愛因斯坦提出了狹義相對(duì)論的基本原理 。 2．狹義相對(duì)論的基本原理 (1)相對(duì)性原理 :物理規(guī)律在所有的慣性系中都可以表為相同的形式。 (2)光速不變?cè)?:真空中的光速相對(duì)于任何慣性系沿任一方向恒為 c,并與光源運(yùn)動(dòng)無關(guān)。 3．狹義相對(duì)論的時(shí)空觀 (1)時(shí)間和空間時(shí)均勻的 ,各向同性的。 (2)同時(shí)是相對(duì)的 ,時(shí)間間隔和空間隔是相對(duì)的。 對(duì)于同一地點(diǎn)發(fā)生的兩個(gè)事件的時(shí)間間隔可表為 : ,1 22 cvt ???? ? 其中Δτ為相對(duì)觀察者靜止的時(shí)鐘表示的時(shí)間隔 (固有時(shí) )。 對(duì)于同一時(shí)刻發(fā)生的兩個(gè)事件的空間間隔可表為 : ,1 22 cvll ????? 其中Δ l/為相對(duì)觀察者靜止的空間間隔 (固有長度 )。這可以理解為 ,兩事件的 時(shí)間間隔、空間間隔進(jìn)行比較時(shí) ,只有對(duì)固有時(shí)、固有長度的比較是絕對(duì)的 ,相對(duì)觀察者運(yùn)動(dòng)的時(shí)間間隔、空間間隔表達(dá)的是運(yùn)動(dòng)的物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài) ,他們的比較是相對(duì)的。 近代大量的物理觀測和實(shí)驗(yàn)證實(shí)，物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)和時(shí)空有著緊密的聯(lián)系．近代對(duì)宇宙射線的觀測發(fā)現(xiàn)，一種被稱為μ子的高能粒子的靜止壽命為 10－６ 秒，μ子產(chǎn)生于地球大氣層的上部，μ子即使用接近光速的速度飛行，也只能飛行 660米．但在地球表面的觀測站卻能夠觀測到它，（地球大氣層的厚度大約為１ 04米）按牛頓的時(shí)空理論， 這一現(xiàn)象是不能得到解釋的． 這一現(xiàn)象用狹義相對(duì)論時(shí)空觀，卻能夠得到很好的解釋．在μ子的參考系看來，厚厚的地球大氣層相當(dāng)一把高速運(yùn)動(dòng)的尺子，運(yùn)動(dòng)的尺度縮短，所以在μ子的參考系看來，地球大氣層變薄了．在地球的參考系看來，μ子的壽命變長了，因而μ子可以飛越厚厚的地球大氣層到達(dá)地球表面．對(duì)時(shí)空的不同的描速，反映了物質(zhì)的不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)．這一現(xiàn)象很好地說明了時(shí)空和物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)有著緊密的聯(lián)系 ,三維的空間坐標(biāo)和時(shí)間坐標(biāo)描寫的閔可夫斯基四維時(shí)空 (x1, x2, x3, x4 = ict )， 屬于贗歐幾里德平直空間。 6. 閔可夫斯基四維時(shí)空整體作為物質(zhì)的存在形式。兩個(gè)事件的時(shí)間間隔和空間隔 ,在不同的慣性系看來是相對(duì)的 ,但由于在真空中光速不變性使時(shí)空的一個(gè)組合 ——— 間隔，即 Δ S2 = (x12+x22+x32c2t2) = Δ S/ 2 具有不變性。我們可以利用μ子的現(xiàn)象對(duì)此加以說明 :如圖 3所示 , 圖中Ｓ系和Ｓ /系分別是固定在地球大氣層和μ子上的兩個(gè)參考系 , Ｓ /系相對(duì)Ｓ系以接近光速的速度 v, 沿 x 方向勻速運(yùn)動(dòng) , 我們把μ子在地球大氣層的上部產(chǎn) 生 ,作為事件一 , 事件一在 s系的時(shí)空坐標(biāo)為 : x1=0,t1=0。 在 S/系的時(shí)空坐標(biāo)為 : x1/= 0,t1/= 0； μ子飛越地球大氣層到達(dá)地球表面 , 作為事件二 , 事件二在 s 系的時(shí)空坐標(biāo)為 : x2=H,t2； 在 S/系的時(shí)空坐標(biāo)為 : x2/=0,t2/=τ (H為大氣層的厚度 ,τ為μ子的靜止壽命 )； 在 S/系的間隔為 : Δ S/2 = c2τ 2 在 s系的間隔為 : Δ S2 = H2+c2t2 H 為在 s 系的觀測
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