相对论

相对论
相对论（关于时空和引力的基本理论）
相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。

相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。

狭义相对论和广义相对的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。

相对论极大地改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。

它发展了牛顿力学，推动物理学发展到一个新的高度。

狭义相对性原理是相对论的两个基本假定，在目前实验的观测下，物体的运动与相对论是吻合很好的，所以目前普遍认为相对论是正确的理论。

研究发展编辑
研究历程
广义相对论
1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。

突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。

第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。

原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。

他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。

[1]
1905年6月30日，德国《物理学年鉴》接受了爱因斯坦的论文《论动体的电动力学》，在同年9月的该刊上发表。

这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相对论的基本思想和基本内容。

这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。

[2]
1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。

他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，
提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。

爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法：在一封闭箱中的观察者，不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中，还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中，这是解释等效原理最常用的说法，而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。

[3]
1915年11月，爱因斯坦先后向普鲁士科学院提交了四篇论文，在这四篇论文中，他提出了新的看法，证明了水星近日点的进动，并给出了正确的引力场方程。

至此，广义相对论的基本问题都解决了，广义相对论诞生了。

1916年，爱因斯坦完成了长篇论文《广义相对论的基础》，在这篇文章中，爱因斯坦首先将以前适用于惯性系的相对论称为狭义相对论，将只对于惯性系物理规律同样成立的原理称为狭义相对性原理，并进一步表述了广义相对性原理：物理学的定律必须对于无论哪种方式运动着的参照系都成立。

[2]
理论分野
传统上，在爱因斯坦刚刚提出相对论的初期，人们以所讨论的问题是否涉及非惯性参考系来作为狭义与广义相对论分类的标志。

随着相对论理论的发展，这种分类方法越来越显出其缺点——参考系是跟观察者有关的，以这样一个相对的物理对象来划分物理理论，被认为较不能反映问题的本质。

一般认为，狭义与广义相对论的区别在于所讨论的问题是否涉及引力（弯曲时空），即狭义相对论只涉及那些没有引力作用或者引力作用可以忽略的问题，而广义相对论则是讨论有引力作用时的物理学的。

用相对论的语言来说，就是狭义相对论的背景时空是平直的，即四维平凡流型配以闵氏度规，其曲率张量为零，又称闵氏时空；而广义相对论的背景时空则是弯曲的，其曲率张量不为零。

[4]
基本原理编辑
狭义相对论的基本原理
一、在任何惯性参考系中，自然规律都相同，称为相对性原理。

二、在任何惯性系中，真空光速c都相同，即光速不变原理。

其中第一条就是相对性原理，第二条是光速不变性。

整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。

由此得出时间和空间各量从一个惯性系变换到另一惯性系时，应该满足洛伦兹变换，而不是满足伽利略变换。

并由此推出许多重要结论，例如：
1、两事件发生的先后或是否“同时”，在不同参照系看来是不同的（但因果律仍然成立）。

2、量度物体的长度时，将测到运动物体在其运动方向上的长度要比静止时缩短。

与此相似，量度时间进程时，将看到运动的时钟要比静止的时钟进行得慢。

3、物体质量m随速度v的增加而增大。

4、任何物体的速度不能超过光速。

5、物体的质量m与能量E之间满足质能关系式E=mc2。

以上结论与目前的实验事实符合，但只有在高速运动时，效应才显著。

在通常的情况下，相对论效应极其微小，因此经典力学可认为是相对论力学在低速情况下的近似。

[13]
广义相对论基本原理
1、广义相对论原理，即自然定律在任何参考系中都可以表示为相同数学形式。

2、等价原理，即在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效。

按照上述原理，万有引力的产生是由于物质的存在和一定的分布状况使时间空间性质变得不均匀（所谓时空弯曲）；并由此建立了引力场理论；而狭义相对论则是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况。

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研究结果编辑
相对论的一个非常重要的结果是质量与能量之间的关系。

爱因斯坦假设，光速对每个人来说应该显得是相同的，这意味着没有什么能移动得比光更快。

事实上，随着能量被用于使一颗粒子或者一艘宇宙飞船加速，这种对象的质量就会增加，使它更难于增加任何速度。

使这颗粒子的速度增加到与光速一样是不可能的，因为这需要无穷的能量，爱因斯坦的著名方程式E=mc2 总结了质量和能量的这种等效--这或许是在街头得到承认的唯一物理学方程式。

这个定律的后果之一是，如果一个铀原子的核裂变（分裂）成两个全部质量略小的核，就能释放巨大的能量。

1939年，随着第二次世界大战的临近，一群认识到这一点的含义的科学家说服爱因斯坦克服其和平主义犹豫，给罗斯福总统写了一封信，敦促美国开始实行一项核研究计划。

这导致曼哈顿计划以及1945年在广岛上空爆炸的原子弹的问世。

一些人把原子弹归咎于爱因斯坦，因为他发现了质量与能量之间的关系。

但是，这就像因为造成飞机坠毁的引力而责备牛顿。

爱因斯坦没有参与曼哈顿计划，并且对摧毁广岛的核爆炸感到震惊。

虽然相对论非常符合支配电学和磁学的定律，但它不符合牛顿的万有引力定律。

牛顿定律说，如果你改变某个空间区域的物质分布，你就会立即感觉到宇宙中别处的引力场的变化。

这不仅意味着你能以高于光速（这是相对论认为不可能的）的速度发送信号，而且需要"绝对时间"或者"普遍时间"的存在--主张个人时间或者相对时间的相对论已经彻底批驳了"绝对时间"或者"普遍时间"的存在。

1912年，当爱因斯坦回到苏黎世后，他突然灵机一动。

他认识到，如果在现实的几何学中存在某种平等交换，引力与加速之间的等效就可能起作用。

如果空时--爱因斯坦发明的一种存在，包括熟悉的空间三维和第四维时间--是弯曲的，而不像曾经设想的那样是平坦的，那会怎么样。

他设想，质量和能量可能以某种有待确定的方式使空时变得扭曲。

诸如苹果或者行星等物体可能努力以直线方式穿越时空，但因为时空是弯曲的，它们的移动路线可能因为引力场而显得弯曲。

在他的朋友格罗斯曼（M.Grossmann）帮助下，爱因斯坦研究了有关弯曲的空间和表面的理论。

这个理论是黎曼（B.Riemann）作为抽象数学的一部分提出的，黎曼无论如何想不到，它将与现实世界有关。

1913年，爱因斯坦和格罗斯曼合写了一篇论文，在这篇论文中提出一种见解：人们所认为的引力只是空时是弯曲的这个事实的表现。

然而，由于爱因斯坦的错误（他完全具有人的本性，容易犯错误），他们未能发现把空时的弯曲与空时中的质量和能量联系在一起的方程式。

爱因斯坦在柏林继续研究这个问题，他于1915年11月终于了方程式E=mc2。

1915年夏季，爱因斯坦在访问格丁根大学期间，与数学家希尔伯特（D.Hilbert）讨论了自己的想法，而希尔伯特已早于爱因斯坦几天独立发现了同样的方程式。

然而，正如希尔伯特所承认的，新理论应归功于爱因斯坦。

把引力与时空的弯曲联系在一起正是他的主意。

有关弯曲的空时的新理论被称为广义相对论，以区别于最初的不包括引力的理论，这种最初的理论以狭义相对论著称。

广义相对论在1919年以一种惊人的方式得到证实，当时英国前往西非的一支远征队在日食期间观察到，在太阳附近星星的位置出现轻微的偏转。

正如爱因斯坦曾预言的，这些星星发出的光在经过太阳时是弯曲的。

这直接证明了空间和时间是弯曲的。

这是欧几里得在公元前300年左右写下其《几何原本》以来，人们对自己所生活的场所的认识的最大变化。

爱因斯坦的广义相对论使空间和时间从发生事件的消极后台变成了宇宙动力的积极参与者。

这导致一个到20世纪末仍处于物理学最前沿的重大问题。

宇宙充满物质，而物质使空时弯曲，物体因此互相吸引。

爱因斯坦发现，他的方程式并不具有一种描述在时间上是不变的宇宙的解决办法。

他没有放弃他和其他大多数人所相信的静态和永恒的宇宙，而是通过增添所谓的宇宙项修改了这些方程式，宇宙项以另外的方式使空时弯曲，因此物体彼此分开。

宇宙项的排斥影响能抵消物质的吸引影响，并使宇宙永久存在。

广义相对论彻底改变了有关宇宙起源和命运的讨论。

一个静止的宇宙可能永远存在，或者可能在过去的某个时候以其目前的形式得到创造。

另一方面，如果各星系今天正在不断分开，它们在过去必定彼此更接近。

在大约150亿年前，它们可能彼此重叠，而它们的密度可能是无限的。

根据广义相对论，宇宙大爆炸是宇宙和时间本身的开始。

广义相对论还预言，时间在黑洞内部将停止。

黑洞是空时的一些极其弯曲以致光不能漏出的区域。

科学实验编辑
时间稀释：伟大科学家爱因斯坦早于20世纪发表的“时间相对论”，1905年，爱因斯坦订立著名的时间相对论，指一件对象相对于另一对象移动的速度，会使时间加快或减慢。

根据这个假设，一个移动中的时钟秒针应比一个静止平放的时钟秒针跳动得慢，这现象称为“时间稀释”。

国际科学家发表报告指出，他们利用分子加速器把原子打成两条光束，绕圈而行，模拟理论中较快的时钟，然后用高精密度的激光光谱测量时间，发现光束相较外界的确慢了一些。

实验与爱因斯坦的理论“完全吻合”。

重力感应磁场预言被证实：爱因斯坦相对论中的微“重力感应磁场”预言，首次于实验室得到证实，欧洲航天局日前公布了这项实验结果。

这次实验的首席科学家塔玛表示，实验所获“重力感应磁场”力比相对论所预言的威力要大得多，并将此磁场命名为“伦敦一刻重力感应磁场”（Gravitomagnetic London Moment）。

之前，已有超导（电）体的高速旋转能产生“感应磁场”的证明。

但此前相对论预言，存在类地球引力磁场，即“重力感应磁场”，不过影响力很弱，此次试验对此作出了证明。

实验的主要仪器是特制的加速器。

“重力感应磁场”主要产生于超导（电）体的高速旋转。

据了解，实验中的旋转速度达到了一分钟6500次。

超导体是一种特殊的材料，很多微型加速感应器被放置在高旋超导体的不同部位，记录各种外部感应数据，数据显示，感应影响力远超于爱因斯坦的预言。

塔玛还表示，在发表这一实验结果之前，已经经历了250次尝试，改善实验仪器3年多，并且花了8个月的时间验证结果的有效性。

已经可以非常自信地保证实验过程的合理性。

但是他也同时强调，这一实验仪器并不具有唯一排他性。

塔玛表示，还希望能够有其他的实验组进行同样的实验来确认他们实验结果的精确性，这项技术在军事和空间技术上将能广泛地应用。

他说，如果得到确信，这可以说是一项伟大的突破，开启了爱因斯坦相对论研究的全新调查手段，并且影响整个量子领域。

欧洲航空局空间动力领域主管马特斯（Clovis J.deMatos）指出，这项实验结果是否是相对论的一种突破，还在进一步讨论之中，虽然是否能被其他科学家同样验证还是未知数，但实验人员还将采用大量高速旋转的地球引力波色子，“重力波色子”继续完善这一感应磁场的模板。

[15]
爱因斯坦在建立广义相对论时，就提出了三个实验，并很快就得到了验证：（1）引力红移（2）光线偏折（3）水星近日点进动。

后来才增加了第四个验证：（4）雷达回波的时间延迟。

（1）引力红移：广义相对论证明，引力势低的地方固有时间的流逝速度慢。

也就是说离天体越近，时间越慢。

这样，天体表面原子发出的光周期变长，由于光速不变，相应的频率变小，在光谱中向红光方向移动，称为引力红移。

宇宙中有很多致密的天体，可以测量它们发出的光的频率，并与地球的相应原子发出的光作比较，发现红移量与相对论预言一致。

60年代初，人们在地球引力场中利用伽玛射线的无反冲共振吸收效应（穆斯堡尔效应）测量了光垂直传播22。

5M产生的红移，结果与相对论预言一致。

（2）光线偏折（光线偏转）：如果按光的波动说，光在引力场中不应该有任何偏折，按半经典式的"量子论加牛顿引力论"的混合产物，用普朗克公式E=hv和质能公式
E=Mc2求出光子的质量，再用牛顿万有引力定律得到的太阳附近的光的偏折角是0.87秒，按广义相对论计算出的偏折角是1.74秒，正好大了一倍，对它的检验显然成为对广义相对论的严峻考验。

1916年爱因斯坦计算出恒星光在太阳近旁通过时偏转角度是1.75角秒。

验证的方法就是利用日全食时拍摄太阳近旁恒星的照片，再用它与半年前或半年后太阳不在这个天区时的照片作非常精密的恒星位置测量比较，看看这些星的位置是否发生了微小的变化。

正好1919年5月29日将在南美洲和非洲发生一次日全食。

为了验证相对论，英国格林尼治天文台和剑桥大学天文台分别派出了日食远征队到巴西和西非观测。

两地的观测都非常成功。

得到太阳近旁恒星位置移动的数量分别是1.98角秒和1.61角秒。

考虑到观测过程中可能发生的各种误差，这样的数值已经非常接近理论值。

这是日食观测史上最值得纪念的一次天文事件。

接着1922年9月21日东非和澳洲发生日全食，又有几支日食远征队观测成功。

拍摄到的星像经过精密测定得出恒星位置偏移量为1.72角秒，与爱因斯坦所计算的理论值只差0.03角秒。

以后，每逢日全食天文学家还在不断观测，结果都与理论值非常接近。

日全食观测结果证明爱因斯坦的相对论是经得起考验的科学理论。

[12]
（3）水星近日点的进动（时空弯曲）：天文观测记录了水星近日点每百年移动5600秒，人们考虑了各种因素，根据牛顿理论只能解释其中的5557秒，只剩43秒无法解释。

广义相对论的计算结果与万有引力定律（平方反比定律）有所偏差，这一偏差刚好使水星的近日点每百年移动43秒。

（4）雷达回波实验：从地球向行星发射雷达信号，接收行星反射的信号，测量信号往返的时间，来检验空间是否弯曲（检验三角形内角和）60年代，美国物理学家克服重重困难做成了此实验，结果与相对论预言相符。

应用编辑
1.爱因斯坦的广义相对论理论在天体物理学中有着非常重要的应用：它直接推导出某些大质量恒星会终结为一个黑洞——时空中的某些区域发生极度的扭曲以至于连光都无法逸出。

有证据表明恒星质量黑洞以及超大质量黑洞是某些天体例如活动星系核和微类星体发射高强度辐射的直接成因。

光线在引力场中的偏折会形成引力透镜现象，这使得人们能够观察到处于遥远位置的同一个天体的多个成像。

广义相对论还预言了引力波的存在，引力波已经被间接观测所证实，而直接观测则是当今世界像激光干涉引力波天文台的引力波观测计划的目标。

此外，广义相对论还是现代宇宙学的膨胀宇宙模型的理论基础。

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2.广义相对论在实际生产和生活中的一个重要应用就是现在已经运行的GPS等卫星导航系统，广义相对论的效应直接影响到GPS等卫星导航系统的测量精度。

[17]
根据爱因斯坦的理论，空间和时间交织在一起，形成一种“时空”四维结构，而地球的质量会在这种结构上产生“凹陷”。

科学家们将一个高精度陀螺仪送上地球轨道，使它的一个旋转轴指向一颗遥远的恒星作为参考点。

在没有任何外力作用的情况下，这一旋转轴应当永远指向这一颗恒星。

然而，如果空间是弯曲的，那么陀螺仪的指向会随时间推移发生改变。

通过GPS对这种改变进行精密检测，科学家们发现地球周围确实存在时空漩涡，其各项参数与爱因斯坦“时空弯曲”的预言完全相符。

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影响编辑
联合国大会已把2005年确定为“国际物理年”，这是联合国首次为一个学科确定的全球规模的纪念活动。

运动中的尺子会缩短：相对论的研究对象是超越人们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙。

狭义相对论认为，运动中的尺子会缩短。

人们平时处在低速运动中当然不可能觉察，但如果以每秒26万公里的速度运动时，一米的尺子就会缩成半米。

狭义相对论表明，高速旅行会使时间变慢。

假定将来人们能制造一艘接近光速飞行的宇宙飞船，从地球出发飞向遥远的星系，来回的旅程仅仅几年（按飞船上的时间），但在此期间地球上已过去了几千年。

1915年，爱因斯坦把狭义相对论发展成广义相对论。

广义相对论认为，没有物质的时空是平坦的，有物质存在的时空就变得弯曲了，两点之间的距离因物质的存在而被拉伸或挤压。

一个直观的比喻是，水平抻开的一块布应该是平坦的，当你在布上放置一个铅
球后，布面就变得弯曲了，这时再放置一个小玻璃球在布上，它就会滚向中央的铅球。

同理，星球的质量使周围的时空弯曲，星球上的“引力”实际上是一个时空被弯曲的现象。

根据广义相对论，1939年美国物理学家奥本海默证明，假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里，引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大，然后产生灾难性的坍塌，使那里的时空变得无限弯曲，这就是人们常听说的黑洞。

理论催生原子弹：作为相对论的一个推论，爱因斯坦提出了著名的质能关系式：能量等于质量乘以光速的平方。

在这一理论的指导下，1939年，科学家找到了通过裂变把质量转化为能量，释放巨大原子能的中子链式反应，进而制造了原子弹，后来又利用核聚变发明了氢弹。

而可以控制反应剧烈程度的核反应堆的和平利用，比如核电站、可控核反应堆供暖系统等极大地改善了人们的生活。

全球卫星定位系统也依赖于爱因斯坦的相对论。

爱因斯坦指出：传统的时间概念只能在简单的条件下才能确定，当多种因素暂时联系起来的时候，传统的计时方法就失去作用。

全球定位卫星发出的信号，由于处在不同的参照系上，时空无法和地面同步，只有根据卫星和地面的原子钟不断调整时间，才能保证定位系统的精确。

1976年，物理学家维索特和列文向太空发射了一枚载有时钟的火箭。

他们观察到，这个时钟与放置在地球上的时钟相比，多获得了1/10微秒。

他们认为，为了在未来时光中旅行，就需要利用那些强度远高于地球重力的引力场，比如中子星引力场。

如果让飞船到达一颗中子星上，就会在未来的时光中迈出一大步。