【正文】 假如有兩個相對運動的慣性系，對于其中的一個參考系說是同時發(fā)生的兩個事件，對另一個參 考系來說，是不是同時發(fā)生的呢？例如地面和勻速行駛的火車。在牛頓力學(xué)的體系中， 假如 A、 B 同時發(fā)出了光脈沖。 在相對論的體系中，觀測者 X:A、 B 同時發(fā)出了光脈沖。因為 A、B 的光速都為 C。 根據(jù)推導(dǎo)可以看出，物體與觀察者處于相對靜止時，其長度值最大；該物體相對于觀察者運動時，在其運動方向上的長度要縮短，運動速度越快，長度縮小越多。 運動的尺縮效應(yīng) L B光速 = c–v 發(fā)出時刻 A B X v A光速 = c+v O v 圖 119 同時性的相對性 L 光線 鏡子鐘表 A 鏡子鐘表 B 圖 1110 光線往返一次的時間 L vΔ t v 光線 圖 1111 兩個鐘表按速度 v運動 11 我們再假設(shè)觀測者 O: 桿子的長度 為 00 tvL ?? ；∴ tLv ?? / ；∴00 ttLL ????； ∵ 220 /1 cvtt ???? 代入上式00 ttLL ????中，可得 220 /1 cvLL ?? 根據(jù)以上分析可以發(fā)現(xiàn)愛因斯坦所得出的結(jié)論與洛倫茲的變換公式完全相同，于是人們就把狹義相對論中的這個變換叫做“洛倫茲變換”，但愛因斯坦所得出的結(jié)論與洛倫茲的結(jié)論雖然形式上相同，但二者本質(zhì)上卻存在著較大的差別。質(zhì)能相當(dāng)性是原子核物理學(xué)和粒子物理學(xué)的理論基礎(chǔ)，也為 40 年實現(xiàn)的核能的釋放和利用開辟了道路。則有 公式220 /1 cvmm ?? ；其中 光子等速度為 c 的物質(zhì)的靜質(zhì)量為0。 由此可見慣性質(zhì)量不是一個常數(shù)。 顛倒了洛倫茲的邏輯，將相對性作為一個原則，而不是一個問題。 時間膨脹與長度收縮 在運動坐標(biāo)系中的時間膨脹只是一個數(shù)學(xué)技巧而已， 長度收縮是用分子間的力可以說明的一種真實的效應(yīng) 時間間隔的測量 時間間隔的測量在所有統(tǒng)一的運動參考系中都是一樣合法的 這僅僅是觀測到的一種現(xiàn)象 12 慣性質(zhì)量可以表示它的能量。第一種有重力，第二種沒有重 力 。例如 把３萬噸水變?yōu)檎羝臒崃糠Q起來只有１克重。能具有質(zhì)量，質(zhì)量代表著能。這樣就把兩個守恒體系統(tǒng)一起來了。 經(jīng)典力學(xué)需要根據(jù)狹義相對論進行修正 根據(jù)愛因斯坦的推論，當(dāng)運動物體的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于光速時，即 v＜＜ c 時，則 v/c 趨于 0，1(v/c)2 則趨于 1。由于這一推論的得出，愛因斯坦就在兩種力學(xué)之間建立起了對應(yīng)關(guān)系。 愛因斯坦與齊拉德 1930 年代 ,科學(xué)家已經(jīng)可以分裂原子核，愛因斯坦的質(zhì)能公式 E=mc178。 鈾核的裂變剛剛被發(fā)現(xiàn)。1939 年 8 月與 1940 年 3 月， 由齊拉德（ Leo Szilard， (18981964）起草、愛因斯坦簽名，給羅斯福總統(tǒng)寫了一封長信，建議美國應(yīng)刻不容緩地研制原子彈。 1942 年羅斯福制訂制造原子彈的“曼哈頓計劃”。同年 8 月 6 日及9 日，二個原子彈一個用鈾，另一個用钚，投在日本的兩城市。 4. 廣義相對論 引力場的思想試驗 愛因斯坦的理論是建立在全新的時空概念的基礎(chǔ)上，但是它的優(yōu)越 性開始并不一定使人接受。當(dāng)時最杰出的物理學(xué)家德國人普朗克支持相對論。但是在相當(dāng)長的一個時期內(nèi)仍有許多人反對相對論。另一些相對論的反對派則想證明相對論會導(dǎo)致一些顯而易見的謬論。 1911 年 4 月，法國物理學(xué)家 B．朗之萬在波隆那哲學(xué)家大會上發(fā)表演說，為相對論增添了更為轟動性的色彩。在討論時間相對性或鐘慢問題時，朗之萬沒有采用愛因斯坦那種利用運動時鐘和靜止時鐘解釋時間效應(yīng)的費解的作法，而是用所謂的 “孿生子悖論 ”取代了愛因斯坦的 “時鐘悖論 ”，并立即成為眾所皆知的由相對論引出的怪物。 由此可以得出唯一的結(jié)論是：相對論的理論是錯誤的。如果在上述情況下把與地球相聯(lián)系的參考系看作是慣性參考系，那么與宇宙飛船相聯(lián)系的參考系就不一定是慣性參考系了。此時他就要經(jīng)受加速度，因為有慣性力作于地。因此，兄弟倆并不是始終處于同樣的條件下，相對論也就不適用于他 13 們。要解決飛船上的兄弟返回地球后是顯得更老還是更年輕了的問題，就需要知道，在作加速運動的參考系中時間是如何流逝的。 愛因斯坦在 1905 年創(chuàng)立的狹義相對論并不能解決這個問題。 而此后愛因斯坦又建立了 廣義相對論 ， 使得物理學(xué)定律對一切相對作任意運動的坐標(biāo)系都有效。 廣義相對論建立于 1915 年，其基本原理是： 原理一： 物理學(xué)定律在任何參考系中都具有相同的數(shù)學(xué)形式，稱為廣義相對性原理 ——自然法則（物理學(xué)基本規(guī)律）在所有的系中都是相同的。 。狹義相對論是廣義相對論在引力場很弱時的特殊情況。但他認(rèn)為這一結(jié)果是一種簡單的巧合。 一個質(zhì)點的“質(zhì)量”實質(zhì)上 同時表征著兩種不同的物理性質(zhì)。于是我們把這里的 im 稱為“慣性質(zhì)量”。 按照牛頓第二定律，一個物體的加速度同它的“慣性質(zhì)量”成正比，而同它所受的力成正 比。綜合這兩方面來看，如果忽略空氣阻力等次要因素，則物體下落的加速度取決于引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量之比。例如羽毛等物的飄落，另當(dāng)別論）。 8m/s2”）。 類似的結(jié)論可以從“單擺”的運動規(guī)律中得出。使單擺擺動的力是重力的一個分力，因而當(dāng)擺錘偏離平衡位置時，它的加速度同樣與兩種質(zhì)量之比有關(guān)，進而單擺的擺動周期也應(yīng)與兩種質(zhì)量之比有關(guān)。 當(dāng)兩個物理量總是成正比時，便總可以通過選取適當(dāng)?shù)膯挝欢贡壤?shù)為 1，并進而把它們說成是相等的。 14 也即 gi mm? 。他認(rèn)為：如果一個慣性系相對于一個伽利略系被均勻地加速，那么我們就可以通過引入相對于它的一個均勻引力場而認(rèn)為它（該慣性系）是靜止的。然而重的物體受到的地球引力比輕的大。結(jié)果是， 引力場中物體的加速度與其質(zhì)量無關(guān) 。引力場中所有的物體 “以同一速度下落 ”是慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量等同的結(jié)果。于是愛因斯坦提出了升降機的理想實驗：設(shè)想觀察者在一個密封的升降機里做力學(xué)實驗，一種情形是升降機靜止在地面上（地球看成是慣性系），它是一個慣性坐標(biāo)系，其中存在地球的引力場，由于 m慣 = m 引 ，任何物體的重力加速 度均相等為 g；另一種情形是升降機遠(yuǎn)離一切物體，即處于沒有引力場的地方，它相對于某個慣性系以加速度 g 上升，它是一個非慣性系。 這表明物體在非慣性系中的運動等效于引力場作用下的運動，或者說非慣性坐標(biāo)系與引力場等效，愛因斯坦把它稱為“等效原理。在 外面的觀察者看來 :存在引力場 , 升降機在引力場中加速運動。 根據(jù)等效原理，引力場可以用非慣性來消除，例如在引力場中自由降落的參考系中就消除了引力，在這個自由落體系中，慣性定律很好地成立，一個不受外力作用的物體將保持其原有運動狀態(tài)，這一參考系是很好的慣性系，其中物理規(guī)律具有狹義相對論的形式。由此愛因斯坦把狹義相對性原理推廣為一切參考系都是等價的，愛因斯 坦把它稱為廣義相對性原理。在廣義相對論中，慣性系不再是理論上和實踐上不可捉摸的，它就是自由落 體系；前述狹義相對論的兩點不足通過等效原理和廣義相對性原理聯(lián)系在一起解決，廣義相對論清楚地回答了不存在特別優(yōu)越的慣性系，所有的參考系對于描述物體的運動都是等價的，而引力問題通過廣義的時空坐標(biāo)變換納入相對論理論中。愛因斯坦想象，如果三維空間加上第四維的時間 所形成的空間－時間實體是彎曲的，那結(jié)果是怎樣的呢？他的思想是，質(zhì)量和能量將會造成時空的彎曲，這在某些方面或許已經(jīng)被證明。 1913 年在他的朋友馬歇爾 這些抽象的理論，在玻恩哈德 我們所認(rèn)識的重力，只是時空是彎曲的事實的一種表述。 廣義相對論提出了三個可檢驗的預(yù)言。這一事實早在 19 世紀(jì)中葉就已發(fā)現(xiàn)，但經(jīng)典的牛頓天體力學(xué)無法對攝動現(xiàn)象做出滿意的解釋。這就是 “水星近日點進動問題 ”。由廣義相對論算出的結(jié)果比萬有引力計算結(jié)果大 43″.03，與實測值非常接近。按照這個說法，星光在經(jīng)過太陽附近時，將受到太陽引力的影響而偏折。觀測這一現(xiàn)象只有發(fā)生日全蝕時才能進行，否則太陽的強烈光線使地面上根本觀測不到太陽附近的恒星光線。 即在 較強的引力場中時 鐘較慢（或引力場中光譜線向紅端移動）等。 這就是廣義相對論提出的三項檢驗方法。 但我們知道當(dāng)時正是 1915 年，第一次世界大戰(zhàn)的硝煙籠罩在各科學(xué)發(fā)達國家的上空。但愛因斯坦沒有停止工作， 1917 年，他在《普魯士科學(xué)院院刊》上發(fā)表論文，題為《廣義相對論宇宙觀》?？茖W(xué)的宇宙學(xué)研究由此創(chuàng)立。他后來寫了大量著作，包括權(quán)威性的《引力相對論理論報告》（ 1918），學(xué)術(shù)著作《相對論的數(shù)學(xué)理論》（ 1923），兩部通俗著作《空間，時間和引力》（ 1920）以及《物質(zhì)世界的本質(zhì)》（ 1928），此外還有大量的演講，文章和小冊子。這時，太陽整個被遮住了，經(jīng)過它旁邊的光束當(dāng)然能夠看出來。日全食發(fā)生時，當(dāng)太陽經(jīng)過早先那個在晚上拍的照片的區(qū)別時，再將這時候這個區(qū)的星體拍下來。如果愛因斯坦的預(yù)言正確的話，這時候看到的星體的位置應(yīng)該與以前沒有太陽出現(xiàn)時拍下的位置不同。這樣的機會很難得，但在 1919 年 5月 29 日正好來了。 第一次世界大戰(zhàn)剛一結(jié)束，愛丁頓立即在 1919 年組織了 兩 支英國日蝕觀測隊，去檢測星光經(jīng)過日全蝕太陽時將發(fā)生偏轉(zhuǎn)的預(yù)言。 1919 年秋，觀測數(shù)據(jù)進行了整理和分析后，在 11 月 6 日召開的英國皇家天文學(xué)學(xué)會和皇家學(xué)會的聯(lián)席會議上天文學(xué)家們宣布： “星光確實按 照愛因斯坦引力理論的預(yù)言發(fā)生了偏折。著名科學(xué)家 J． J．湯姆森是會議主席，他宣稱：這是 “自牛頓以來引力理論的一項最重要的成果 ”，是 “人類思想的最偉大的成就 ”。愛丁頓卻露出困惑的表圖 1112 愛丁頓 16 情。愛因斯坦著 郝建綱、劉道軍譯 上?？萍冀逃霭嫔? 2020； 《愛因斯坦與相對論》宓正著（生活與科學(xué)文庫）科學(xué)出版社 202