物理学中的相对论与时空结构

物理学中的相对论与时空结构相对论是现代物理学中的一大分支，它在20世纪初期由亚尔
伯特·爱因斯坦提出，是现代物理学的基石之一，对物理学、天文学、宇宙学都有着巨大的影响。

当爱因斯坦在1905年推出狭义相
对论时，他打破了牛顿力学的基本假设，即时间和空间是绝对不
变的，不受观察者的运动状态的影响。

相对论给出了完全不同的
观点，认为时间和空间是相对的，它们的度量依赖于观察者的运
动状态。

这种依赖性被称为“时空间隔的不变性”。

狭义相对论
狭义相对论是爱因斯坦在1905年提出的，它的核心思想是很
简单的：闵可夫斯基空间、光速不变原理、相对性原理。

其中，“相对性原理”指的是所有的物理定律在所有惯性系中都是相同的。

狭义相对论在三个方面对牛顿力学进行了修正。

第一，狭义相
对论指出，光速是一个自然界中的普遍极限。

第二，它否定了同
时性的概念，因为等同于在两个不同的地方上对同一件事情的观
察结果是不同的。

第三，它揭示了物质和能量之间存在等价关系，这就是著名的E=mc²公式——质量和能量是可以互相转化的。

广义相对论
广义相对论是爱因斯坦在1915年提出的，并成为现代天体物理学、宇宙学等领域中一个重要的理论框架。

广义相对论考虑到了引力在物理学中的作用，把引力解释为时空的弯曲。

定义了“时空的曲率”概念，并将其归功于受到重力作用的物质。

如此，引力的效应不是通过远程作用实现的，而是由时空本身所控制的，因为质量弯曲了周围的时空。

一个恒星、行星或一个更大的物体，会弯曲空间-时间，从而形成了引力场。

广义相对论给出新的、更准确的引力的表达式，并成功预言了黑洞的存在、双星体系统的预测地位变化等重要的天文现象。

时空结构
狭义相对论和广义相对论都强调，时空的性质取决于我们所处的“参考系”。

一个参考系是一个我们能够测量距离和时间的物理框架，也就是语言概念的“坐标系”。

我们熟知的时空结构是一个四维时空，其中三个维度指的是空间，另一个指的是时间。

广义相对论用时空“曲率”的概念（参考
黑洞理论）来描述引力场的构成。

可以想象成，一个物体的质量或运动状态影响周围的时空，就像放在一个被拉紧的橡皮筋上的钢球一样贡献其重力。

周围的橡皮筋弯曲，形成了一个被引力球吸引的坑。

物体跟随着时空随着坑而移动，就像在山上下坡。

这种理解广义相对论引力思想的方式被称为“引力穴的画廊”。

总结
物理学中的相对论是一种完全不同于牛顿力学的新型理论，伴随着相对性原理和光速恒定原理在其中。

除基本假设外，牛顿物理学的前提为时间和空间是不变的量。

狭义相对论是利用来打破这个假设，提出了时间和空间的相对性。

广义相对论则是将重力理解为时空的弯曲。

这种理解带来了新的理解，也创造了广泛的应用场景。

时空的曲率和引力穴是一个难以理解的概念，然而这正是我们应该思考的答案。