论狭义相对论存在的缺陷
狭义相对论与广义相对论的比较分析
狭义相对论与广义相对论的比较分析相对论是物理学中的一项重要理论，由爱因斯坦提出。
其中狭义相对论和广义相对论是两个重要的相对论理论。
下面我们将对狭义相对论和广义相对论进行比较分析，以便更好地理解它们之间的区别和联系。
一、狭义相对论狭义相对论是相对论的最初形式，最初由爱因斯坦于1905年提出。
狭义相对论的核心观点是相对性原理和光速不变原理。
相对性原理指出物理法则在一切等速运动的惯性系中都具有相同的形式。
光速不变原理认为光在真空中的速度是一个恒定值。
狭义相对论对时间和空间的观念进行了重大的转变。
它提出了以光速不变原理为基础的时空相对性原理，即时间与空间是相互关联、互为影响的，而且受到速度的影响。
在狭义相对论中，时间是相对的，不同的参考系中时间的流逝速度是不同的。
二、广义相对论广义相对论是相对论理论的进一步发展，于1915年由爱因斯坦提出。
广义相对论相对于狭义相对论而言，不仅包含了狭义相对论的内容，还对引力进行了更深入的研究。
广义相对论的核心概念是引力的几何描述。
广义相对论认为，质量和能量会使时空发生弯曲，物体在弯曲的时空中运动时，其运动轨迹就会受到引力的影响。
这与牛顿力学中的引力理论有很大的不同，牛顿力学中的引力是由质量之间的吸引力引起的，而广义相对论中的引力是由时空的几何形状决定的。
三、比较分析狭义相对论和广义相对论之间存在着显著的区别和联系。
首先，狭义相对论是广义相对论的一个特例，狭义相对论可以被看作是广义相对论在弱引力场下的近似解。
其次，狭义相对论主要关注的是等速运动的惯性系中的物理现象，而广义相对论则考虑了非惯性系中的引力问题。
最重要的区别是，狭义相对论中的时空是平直的，而广义相对论中的时空则是弯曲的。
此外，狭义相对论和广义相对论的应用范围也不同。
狭义相对论主要适用于高速运动的粒子物理学，如粒子加速器中的粒子碰撞实验。
而广义相对论则适用于宏观尺度的引力问题，如行星运动、黑洞等。
尽管狭义相对论和广义相对论有诸多差异，但它们也有一些共同的基本概念，如相对性原理和时空相对性。
45广义相对论简介
1971年，威勒（J.A.Wheeler）命名这样的事物 为“黑洞”，因为光无法从中逃逸。基于许多证据， 天文学家有许多他们认为可能是黑洞的候选天体（其 证据是：它们的巨大质量可以从其对其他物体的相互 作用中得到；并且有时它们会发出X射线，这被认为 是正在坠入其中的物质发出的）。 显示超级黑洞存在的一个线索是几十年前发现的 类星体（遥远星系中最明亮的物体）。类星体比它所 在的整个星系还亮几百倍，却比我们的太阳系还小。 在这么小的空间里怎么能发出那么强烈的光和辐射呢？ 一个可能的解释是黑洞。
四、广义相对论时空特性的几个例子 1. 光线的引力偏折 由于太阳造成时空弯曲，遥远星球发出的光线 经过太阳附近时会发生弯曲。 星球实 其偏转角： 际位置 理论值
1.75
太阳 地球
视影
实验观测值： 1919年5月29日发生日全食时，在 巴西和西非两个观测队所得的结果 是
和
1.98 0.12 1.61 0.30
施瓦氏用坐标的术语表述了它的“公制”概念： 在距离物体很远的地方，近似于一个带有一条用以表 示时间的附加t 轴的球坐标，另一个坐标r用作该处 的球坐标半径；而更远的地方，它只给出物体的距离。 然而当球坐标很小的时候，这个解开始变得奇怪 起来。在r=0的中心处有一个“奇点”，那里的时空 弯曲是无限的；围绕该点的区域内，球坐标的负方向 实际成为时间（而非空间）的方向。任何处于这个范 围内的事物，包括光，都会为潮汐力扯碎并被强迫坠 向奇点。这个区域被一个施瓦氏坐标消失的面与宇宙 的其他部分分离开来。 当时的人们并未为此担心，因为所有已知的物体 的密度都达不到使这个内部区域扩大到物体之外的程 度，即对于所有已知情况，施瓦氏解的这个奇怪部分 都不适用。
五、膨胀的宇宙 1. 星系谱线红移 1929年，美国天文学家哈勃观测到星系谱线 的红移现象，发现星系离开我们的退行速度为
狭义相对论面临的问题及解决的途径
标准钟的走时率 ， 钟慢效应是因为不 同惯性参考系对钟
和 测量 造 成 的 。
参考系来 “ 量度” 乙中发生的该事件时 ， 依据洛仑兹坐标
基 本假 设 之 一 的 “ 相 对性 原 则 ” 以及 对 时 间本 质 的理 解 。 因为 根据 相 对 性 原 则 ， 两 个 做 相 对 运 动 的惯 性 参 考 系 ，
不依靠其它参照系就无 法区分哪一个 在做相对 运动哪
一
个相对静止 ， 这就表 明各惯 性参考系是 “ 平 权的” ， 即
— —
Ｖ０ １ ． ３ ０ Ｎｏ ． ３
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ７
文章 编 号 ： １ ６ ７ ３ － １ ５ ４ ９ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ３ － ０ ０ ９ ７ － ０ ４
Ｄ ＯＩ ： １ ０ ． １ １ ８ ６ ３ ／ ｊ ． ｓ ｕ ｓ ｅ ． ２ ０ １ ７ ． ０ ３ ． ２ ０
引 言
二 十世 纪 初 ， 爱 因斯 坦 等 人 以 “ 相对性原则 ” 和“ 光
（ Ｂ＝ ｕ ／ ｃ ， 后同） 。反之， 在 甲中发生了同样一个事件 ， 所
经 历 时 间 间 隔也 是 △ ｔ 。从 参 考 系 乙来 “ 量度” 时， 这 一
事件所经历的时间间隔 Ｔ ． ＝ Ａ ｔ ／， ／ １ 一 。 这就产生了
有重要意义。
个问题 ， 即将具有相同走时率 的两只时钟放在两个 相
对运动的惯性参考系中， 在这两个惯性参考 系中的观察
者 都会 观察 到 自己 的 钟 走 得 更 快 ， 而对方 的钟走得慢 ，
相对论的缺陷
狭和广相的缺陷及适用范义和广义相对论的缺陷及适用范围付昱华（中国海洋石油研究中心，北京，100020, E-mail: fuyh@ ）摘 要 狭义和广义相对论有三个根本缺陷。
第一，狭义和广义相对论各有两个基本原理，在整个相对论内部共有四个基本原理，这些明显地不符合真理的唯一性；第二，狭义相对论的两个基本原理和广义相对论的两个基本原理，没有一个是普遍正确的；第三，从数学原理出发而不是从物理原理出发建立物理理论。
在此基础上，给出狭义和广义相对论的适用范围。
指出相对论（包括洛伦兹变换）导致的若干错误结果，例如对于声速在真空中恒为零以及两兄弟的运动状态完全相同的双生子佯谬等问题。
提出将能量守恒原理作为统一处理物理学、天文学、力学、化学、生物学、医学、工程学等领域与能量有关所有问题的跨学科大统一理论，将动态Smarandache重空间中的量子化统一变分原理和分形方法作为跨学科大统一方法。
以“能量守恒科学”取代或部分取代相对论。
关键词 狭义和广义相对论，缺陷，适用范围，能量守恒科学Shortcomings and Applicable Scopes ofSpecial and General Theory of RelativityFu Yuhua(China Offshore Oil Research Center, Beijing, 100020, China)(E-mail: fuyh@)Abstract: The special theory of relativity and general theory of relativity have three basic shortcomings. First, the special and the general theory of relativity respectively have two basic principles, altogether has four basic principles in the interior of relativity,these obviously do not conform to the truth uniqueness; Second, for the two basic principles of special theory of relativity and the two basic principles of general theory of relativity, no one is universal correct; Third, establishing the physics theory from the mathematics principle instead of the physical principle. In this foundation, presents the applicable scopes of special and general theory of relativity. Points out some wrong results caused by the theory of relativity (including the Lorentz transformation), such as the problems that the sonic speed in vacuum permanently is equal to zero, the twin paradox that the two brothers' state of motion are quite same, and so on. Proposes that taking law (principle) of conservation of energy as the grand unified theory of interdiscipline to unified process all the problems related to energy in physics, astronomy,mechanics,chemistry,biology,medicine,engineering and so on; taking the unified variational principle for quantization in dynamic Smarandache multi-space and the fractal method as the grand unified method of interdiscipline; and taking the "science of conservation of energy" to replace or partially replace the theory of relativity.Key words：Special and general theory of relativity, shortcomings, applicable scope, science of conservation of energy前言人们一般认为，爱因斯坦是二十世纪最伟大的科学家，他的成就仅次于牛顿。
狭义相对论的成就与困难
狭义相对论的成就与困难1905年，爱因斯坦在“相对性原理”和“光速不变原理”的基础上导出“洛伦兹变换”，建⽴起相对论（即今天所说的狭义相对论）的⼤厦。
他给出了惯性系中“动尺缩短”、“动钟变慢”、“质能关系E=mc2”、“双⽣⼦佯谬”等重要⽽新奇的结论。
相对论突破了⽜顿理论的框架，展现出全新的物理体系和全新的时空观。
爱因斯坦指出，⾃⼰的相对论与⽜顿的经典物理学的关键差别不在“相对性原理”，⽽在“光速不变原理”。
因为伽利略早就正确地阐述了相对性原理，⽜顿在⾃⼰的⼒学中也应⽤了这⼀原理。
只是洛伦兹等⼈为了解释迈克⽿孙实验，对相对性原理产⽣了怀疑，把⽔搞得有点浑。
爱因斯坦说，我本⼈只是坚持了这⼀原理，并⽆特别的创新。
爱因斯坦认为，⾃⼰最⼤的突破是认识到光速是绝对的，真空中的光速不仅在同⼀惯性系中是均匀各向同性的，⽽且与观测者相对于光源的运动速度⽆关。
上句话的前⼀半说“光速在同⼀惯性系中均匀各向同性”，这是⼀个“约定”，即“规定”。
只有做了这⼀“约定”，才可以校准不同地点的钟，从⽽可以在全空间定义统⼀的时间（这⼀点我们将在第九章作详细讨论）。
应该说，这⼀约定是建⽴相对论的前提。
“光速不变原理”则是指上句话的后⼀半，“光速与观测者相对于光源的运动速度⽆关”。
这⼀原理的意思是，相对于光源静⽌的观测者，迎着光束以速度v1相对于光源运动的观测者，以及顺着光的前进⽅向，以速度v2远离光源的观测者，测到的真空中的光速都是同⼀个c值。
这确实是让⼈难以理解的。
⽽且，承认“光速不变原理”，就意味着必须承认“同时”这个观念不再是绝对的，⽽成了相对的。
这就是说，在⾼速⾏驶的⽕车上，车上的⼈认为车头与车尾“同时”发⽣的两件事，在静⽌于地⾯上的观测者看来，不再是同时发⽣的。
当然，由于⽕车速度不够⾼，在⽇常⽣活中这⼀效应看不出来，但是如果⽕车速度接近光速，这⼀效应将⼗分明显。
理解“光速的绝对性”，及其导致的“同时的相对性”，是⼗分困难的，这个难题曾经困扰了爱因斯坦很长时间，⼤约在⼀年以上。
相对论
概述相对论（Relativity）的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无大质量物体扭曲时空改变物体行进方向关。
狭义相对论和广义相对论的区别是，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。
相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。
经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。
相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。
相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。
狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年（爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作，在1916年初正式发表相关论文）。
由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。
因此，在整个宇宙中不存在惯性观测者。
爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。
狭义相对论最著名的推论是质能公式，它说明了质量随能量的增加而增加。
它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量，但它不是导致原子弹的诞生的原因。
而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，与有些天文观测到的现象符合。
狭义与广义相对论的分野传统上，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。
目前一般认为，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。
第6章狭义相对论
1. 物理规律对所有惯性系都是一样的。
这后来被称为爱因斯坦相对性原理。
2. 任何惯性系中，真空中光的速率都为 c 。
这一规律称为光速不变原理。 光速不变原理与伽利略变换是彼此矛盾的， 若保持光速不变原理，就必须抛弃伽利略变换， 也就是必须抛弃绝对时空观。
力学相对性原理的另一种表述： 在一个惯性系内部 所作的任何力学的实验都不能区分这一惯性系本身 是在静止状态还是在作匀速直线运动状态。
6
2. 经典力学的绝对时空观
(1)同时性是绝对的。
S系：两事件同时发生，S 系：也是同时发生。 (2)时间间隔是绝对的。
t1 t 2 t1 或写为 t t t2
8
—— 常量
根据伽利略变换，光在不同惯性系中速度不同。
那么在哪个参考系中才是标准光速？ 经典理论中认为光在以太中传播，于是以太可以 被视为“绝对静止参考系”。也即通过光学实验， 可以区分惯性系的运动状态。
9
于是必然导致以下结论之一： 一、麦克斯韦方程组不正确。
二、麦克斯韦方程组在伽利略变换下不满足力 ？ 学相对性原理。
ux 22 ) t 2 (t 2 c ux1 2 ) t1 ( t1 c
23
ux 22 ) t 2 (t 2 c ux1 2 ) t1 ( t1 c t t u2 1 2 c
ux t ( t 2 ) c ( x 0 )
u 1 2 c
2
1
2
19
1 u 1 2 c
2
1 1
2
如果u≥c,则 就变为无穷大或有虚数值，这显然 是没有物理意义的。 因而得出推论：任何物体相对于另一物体的速 度不可能等于或大于真空中的光速。即真空中的光 速c是一切物体运动速度的极限。 这一推论与实验符合，也符合因果律的要求。
狭义相对论的创立
狭义相对论的创立1905年9月，年仅H 十六岁的阿尔伯特·爱因斯坦在德国权威性的《物理学杂志》上发表了划时代的论文——“论动体的电动力学”。
这篇后来被称之为狭义相对论的论文是理性思维的伟大杰作，它把哲学的深奥，物理学的直观和数学的技艺令人惊叹地结合在一起。
它与《物理学杂志》17卷上的爱因斯坦的另外两篇开创性的论文（光量子论文和布朗运动论文）在科学史上谱写出激动人心的篇章，全面地打开了物理学革命的新局面。
狭义相对论获得了巨大的成功。
它使力学和电动力学相互协调，它减少了电动力学中逻辑上互不相关的假设的数目，它对时间，空间等基本概念作了必不可少的方法论分析，它把动量守恒定律和能量守恒定律联系起来，揭示了质量和能量的统一。
它与爱因斯坦1915年创立的广义相对论一起，大大改变了传统的世界观和传统的思维方式，把人们带进了一个奇妙的新世界。
面对科学史上这一重大的事件，人们必然会问：狭义相对论究竟是怎样创立的？被排斥在学术界之外的默默无闻的爱因斯坦为什么会捷足先得？这一伟大的智力搏斗能够给我们哪些认识论和方法论的启示？现在，让我们对世纪之交这一富有戏剧性的历史事件作一番历史的、哲学的考察吧。
狭义相对论的先驱：洛伦兹和彭加勒从19世纪初光的波动说复活以来，物理学家一直对传光煤质以太议论不休，其中一个重要问题是以太和有重物质（特别是地球）之间的关系问题。
其实，早在1727年，英国天文学家布雷德利发现，地球绕太阳公转时，由于速度变化，所观察到的恒星位置也随着变化。
这就是所谓的“光行差”现象。
用光的波动论来解释光行差，只要假定以太相对于太阳静止。
不被地球曳引就行了。
光的波动论的倡导者菲涅耳就持有静止以太说，他在1818年指出，地球是由极为多孔的物质构成的，以太在其中运动几乎不受什么阻碍，可以把地球表面的以太看作是静止的。
斯托克斯认为菲涅耳的理论是建立在一切物体对以太都是透明的基础上，因而是不能容许的。
他于1845年提出，在地球表面，以太与地球有相同的速度，即地球完全曳引以太。
狭义相对论的建立
狭义相对论的诞生狭义相对论是关于时间、空间和物质运动的理论，它是20世纪初以来物理学发展的重大成就之一；它和量子力学一起，构成了现代物理学以及当代高技术发展的基础。
狭义相对论的创立，对人类的时空观、物质观、运动观、因果观和宇宙观，都有重大的影响。
一绝对时空观的困难“运动是时间和空间的本质”。
时间和空间是物质存在的基本形式，物质又存在于运动之中。
所以，一定的运动观总是和一定的时空观相联系的。
17世纪初，牛顿总结了机械运功的三个基本定律和万有引力定律，建立了经典力学理论体系，全部经典力学的出发点是“惯性”和“惯性运动”，“惯性运动”是指物体在不受外力作用时或者“相对静止”，或者做“匀速直线运动”，这就对作为物体运动的“舞台”空间和时间的属性提出了要求，物体的“绝对静止”是以一个相对不变的统一空间为其场所的；而“匀速直线运动”，则要求空间绝对“平直”，时间节奏绝对“均匀”，而且整个宇宙的时间和空间是“等同”的；空间和时间又是独立存在的，他限制和容纳着物体的运动，而不受物体及其运动的影响。
于是，牛顿在他的《原理》中就引入了绝对空间和绝对时间，来决定他的动力学生效的参考系。
“绝对的、真正的和数学的时间在自身流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外在事物无关的流逝着，它又可以名之为’连续性’；相对的、表观的和通常的时间是连续性的一种可感觉的、外部的、通过运动来进行的量度。
绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。
相对时间是绝对时间的可动部分或量度，我们的感官通过绝对时间和其他物体的位置而确定了它，并且通常把他当做不动的空间看待…………”可以看出，牛顿是把绝对空间以及对于绝对空间做匀速直线运动的参考系，作为他的运动定律能够成立的参考系。
牛顿的绝对时空观，继承了人们自古以来认为空间和时间是同物质及其运动相互独立而无关的直觉，无论从直观的意义上，还是从牛顿力学运动规律的表述的要求上来说，似乎都是很自然的。
狭义相对论面临的问题及解决的途径
狭义相对论⾯临的问题及解决的途径《争鸣论⽂》引⾔⼆⼗世纪初，爱因斯坦等⼈以“相对性原则”和“光速不变原则”为基础，建⽴了狭义相对论，它对近代物理学起到了巨⼤的推动作⽤，但也引起了众多的质疑和争论。
直到已经过去了⼀百多年的今天，对它的质疑和争论依然不休[1]。
因此，厘清狭义相对论所⾯临的困难及相关问题的本质，寻求解决之道对推动物理学的发展将有重要意义。
1狭义相对论内⾯临的问题1.1孪⽣⼦佯谬的理解问题⾸先对狭义相对论孪⽣⼦佯谬的产⽣做简单的回顾。
设甲⼄两个惯性参考系，假定⼄相对甲以速度u做匀速直线运动，⼄中发⽣⼀事件，时间间隔为Δt，当从甲参考系来“量度”⼄中发⽣的该事件时，依据洛仑兹坐标变换公式，事件所经历的时间间隔为T甲(β=u/c，后同)。
反之，在甲中发⽣了同样⼀个事件，所经历时间间隔也是Δt。
从参考系⼄来“量度”时，这⼀事件所经历的时间间隔T⼄。
这就产⽣了⼀个问题，即将具有相同⾛时率的两只时钟放在两个相对运动的惯性参考系中，在这两个惯性参考系中的观察者都会观察到⾃⼰的钟⾛得更快，⽽对⽅的钟⾛得慢，换⾔之就是“挛⽣⼦佯谬”，即孪⽣⼦甲、⼄，甲始终留在地球上，⼄则乘飞船作宇宙航⾏，他们都会认为对⽅⽐⾃⼰年轻，那么，当⼄返回地球时，谁更年轻？对于这⼀问题的认识具有代表性的有以下⼏种观点：第⼀种观点认为，“孪⽣佯谬”可以在狭义相对论范围内解决。
认为动钟的⾛时率并不真正变慢，⽽是坚持标准钟的⾛时率，钟慢效应是因为不同惯性参考系对钟和测量造成的。
第⼆种观点认为，“孪⽣佯谬”可以在狭义相对论范围内解决。
但与第⼀种观点不同，认为动钟的⾛时率变慢，并通过⽐较复杂的运算得出外出旅⾏的双⽣⼦⽐地球双⽣⼦年轻[2]。
第三种观点认为，“孪⽣⼦佯谬”需要求助于⼴义相对论。
但发现这类研究并没有给出精确解，⼤多是进⾏了各种简化处理，⽽且并没有真正解决问题。
如⽂献[3]：当以地球为参考系计算时，认为加速和减速阶段远短于匀速运动阶段，忽略加速和减速阶段，得出地球时(T)与⽕箭时(τ)的关系，即出外旅⾏的时钟⽐静⽌钟要落后⼀些时间。
狭义相对论教学中的几个问题
狭义相对论教学中的几个问题1超光速问题光速是宇宙中最快的速度，是狭义相对论的基本信条．超光速是人们一直想找到的现象，资料显示：在天文观测方面，已观测到60多个超光速射电源（类星体），它们的膨胀速度一般都达到光速的数倍甚至几十倍，例如类星体3C345中两个子源的分离速度超过45倍．从数据上看似已经找到了超光速，但这并不是狭义相对论所定义的速度，狭义相对论所谓的速度必须是对实物粒子进行当时当地测量而得的，因为不同时不同地测得的速度、时间等概念已经没有意义．速度有很多种，比如拿着一只激光笔射向远方的一堵墙，然后转动激光笔，那么墙上的光斑就会迅速地移动，如果距离足够远的话，光斑的移动速度就可以超过光速，但这样的速度显然不是我们想要的速度，因为狭义相对论要求的速度必须能携带信息，比如光或任何实物粒子都可以携带信息，但光斑的移动以及射电源星体的分离速度是不能传递信息的，它只是一种概念上的速度．2运动的相对性及参考系的平权问题运动的相对性在中学参考系一节中就讲到，人们普遍认为根据运动的相对性，加速运动也是相对的，实际上加速运动并不是相对的，因为一个真正做加速运动的物体必须受到一个力源的作用，它并不是不可区分的．比如在两观者的身上各放一个弹簧振子，通过观察对方的弹簧振子有没有发生形变就可判断谁在做真正的加速运动，加速运动的不可相对性是理解双生子效应的关键．其次，狭义相对性原理说一切惯性系平权，即物理规律在惯性系中都是一样的，说明狭义相对论只承认惯性系之间是无法区分的，而广义相对论却认为所有参考系都一样，因此很多人会认为这两个理论是矛盾的，必然有一个不对，其实这并不矛盾，因为两套理论所研究的对象与时空背景不同．狭义相对论研究的是无引力的平直时空．广义相对论研究的是有引力的弯曲时空，广义相对论认为所有参考系平权是基于引力质量等于惯性质量，即引力所产生的效果与加速运动所产生的效果无法区分．比如加速运动电梯里的人并不能分辨自身的重力来自于加速运动还是引力作用，于是非惯性系就失去了特殊性，但要注意的是这种相等也仅仅是指物理规律的表达形式一致，而且是局域的等效，并不是说引力与加速的物理本质一样．因为引力场是有源场，是汇聚的，而“加速场”是平行的，它们在全空间内不可能等效．而在狭义相对论里是没有引力的，没有引力，自然不涉及引力效果与加速效果无法区分的问题，自然认为非惯性系与惯性系是不平权的了．3时光倒流问题时光倒流问题是狭义相对论出现后，人们对于时空幻想最多的问题，因为时光倒流可以引发很多很奇特的事情，那么到底会不会发生时光倒流呢？很多人认为是可以的，因为同时的相对性告诉我们一件事发生的先后顺序是相对的．比如A 举手和B举手这一事件，在不同的观者看来它发生的先后顺序可以不一样，可以是A先举手，也可以是B先举手，然而并不是这样的．仔细一想会发现A举手和B举手是没有因果关系的，即A举手与B举手没有任何联系，互不影响，这样的时间顺序当然是可以颠倒的．一旦有因果联系的两事件先后顺序就不可能颠倒，比如A是B的母亲，那么B的存在就与A有了因果联系，一旦出现时光倒流就会出现B回到过去将其母亲杀死而B到底存不存在的问题，显然这样的事件是科学家无法接受的．其实还可以从熵增加原理的角度来看待时光倒流问题，即封闭系统的熵（混乱程度）总是在不断地增大，就好比用挡板把A气体和B气体隔开，然后抽取挡板，随着时间的流逝A与B气体必然会混为一团，而且时间越长会越混乱，然而时间倒流就意味着A与B气体会自然地回到最初的状态，这显然不可能．再比如一座建筑物被风化后其损失的泥土分子已经散失在各个地方，并形成新的泥土被建成了另一座建筑物，依次循环，原来建筑物的泥土分子混乱度越来越大，时间倒流就意味着这些泥土分子又能自发回到原来的状态，这是不可能的．熵其实就是时间的方向，熵增加的过程就是时间流逝的过程，熵增加原理的成立就意味着时间的不可倒流．还有人认为只要速度达到光速就可实现时光倒流，然而达到光速需要的能量是无穷大，可惜宇宙所拥有的能量是有限的，故也不可能．4测量与观看问题狭义相对论里全都是测量问题，而且是对事件的当时当地测量，因此动尺收缩、动钟变慢效应等都是测量而造成的，很多人容易理解成是观看造成的，测量则不会发生这些效应，其实正是由于测量才会产生这种现象．首先看动钟变慢效应，如图2所示，要想做到当时当地测量，就必须在参考系中充满观者，这些观者拿着事先校准好的钟且只对经过自己身边的事件进行测量．设在S系事件发生于（t 1，x1）时，S′系为（t1′，x1′），此时校准好两钟的时间使。
高中物理竞赛专题课件：时空观-从伽利略到爱因斯坦广义相对论
空间 曲率
平行线
三角形内 角之和
圆周率
两点间 最短线
黎曼几何 正
无
>180
<
不是直 线
欧几里德 几何
零
一条
=180
= 直线
例 球面 平面
2．万有引力是时空弯曲的表现
爱因斯坦推测引力效应可能是一种几何效应。万 有引力不是一般的力，而是时空弯曲的表现。由于引 力与质量有关，所以时空弯曲与物质的存在和运动有 关。举如下一个形象的例子说明。
四、相对论的应用——全球定位系统
粗略估算，若不考虑相对论效应，卫星定位的 精度在1km以上，考虑相对论效应，卫星定位精 度可达到1m以内。因此，相对论已经在我们的现 代生活中时刻发挥着作用。
• 质量与能量对应
• 质量守恒与能量守恒 统一
伽利略为日心说辩护（三）
据亚里士多德的运动理论：重的物体比轻的物 体下落快；由于地球比其表面上的其他物体重，如 果地球是动的，那么它会得下落更快，会把其他物 体抛在后面，而事实上却并未如此，这个推理支持 地心说。伽利略推断“两个铁球(不分轻重)同时落 地”否定亚里士多德的推论，相当于为日心说辩护。
E h mgH h gH
c2
所以
Hg c2
2 1015
1960年后，实验测得了太阳的引力红移。
2.引力与空间弯曲
爱因斯坦还计算出了最靠近太阳的行星——水星
的椭圆轨道会发生进动。这
是因为根据广义相对论，在
太阳周围空间发生弯曲，使
水 星
行星运动轨道进一步弯向太
进 动
阳，于是不再是一个封闭的
椭圆了。行星每转一圈又回
三、广义相对论的实验验证
1、光在引力场中的红移（引力导致时间延缓）
广义相对论简介
标准时间 标准长度 无引力影响的时间和长度 在无引力的地方, 有一系列的走时 标准钟 完全一样的钟,然后把它们分别放到引力场中的
各个时空点,称各地的标准钟. 在无引力的地方,有一系列的完全一 标准尺 样的刚性微分尺,然后把它们分别放到引力场中 的各个时空点,称各地的标准尺
M
S
u( r ) g( r )
引力的作用 1)空间弯曲
2)光线偏离测地线 理论上：
太阳
恒星光线受太阳引力偏折175 .
1919年5月29日测
1.98 0.16 1.61 0.40
人眼位置
2.引力时间延缓 固有时与真实距离
某处的固有时
由静止在该处的标准钟测得的时间间隔
某处真实距离
由静止在该处的标准尺测得的空间间隔
p
r r
s ds ds 1
2
1 s
2
s / 1 2 s 2r 2r s
在转动的非惯性系中，圆的周长 s' >2r'
非惯性系的空间是弯曲的。
结论
根据等效原理 转动参考系等效为引力场 引力场强是
2 ˆ g r r
如此星体的质量非常大以至于给出的速度比光速还 大时,光就不能从中射出了,这个形体就成了黑洞了.
c 2GM r
r rS
2GM c
2
与广义相对论给 出的公式相同
设想宇航员乘飞船从外部驶向引力中心,并在 r rS 外没有遇到其它天体的表面. 远离引力中心的观察者 S
固定在引力中心的系统 S
a g
惯性力 m 惯 g 引力 m引 g
自由空间
地球
结论:惯性力与引力等效或引力场与加速场等效 局域等效 等效并非等同
相对论无法解决的若干问题
u
1 e cos b0 b1 cos b2 cos 2 ... p
显然，上式满足如下对称性条件
f是唯一的， 则包含无穷多项的非闭合非对称解将趋近 于闭合对称解（亦即进动值将趋于 0） 。 参考文献[4]中给出行星近日点进动新解释：行星近日点进动是两个运动的复合结果。 第一个椭圆运动产生近日点，第二个太阳系涡旋运动产生近日点进动。在行星-太阳系统的 第一个运动中，行星在万有引力作用下其轨道是闭合椭圆，因而符合能量守恒定律。与此同 时行星还参加以太阳为中心的太阳系涡旋运动； 该涡旋运动的长期趋势是进一步研究的课题， 不过在短期内可以认为由于惯性作用行星近日点在涡旋中做圆周运动导致近日点进动， 这样 也不违反能量守恒定律。根据广义相对论的有关结果，得出近日点进动角速度的近似结果； 根据精确的天文观测， 得出近日点进动角速度的精确结果。 最后给出太阳系涡旋运动圆周速 度的近似表达式。 与一般涡旋运动的圆周速度与半径 r 成反比不同， 太阳系涡旋运动的圆周 速度与半径的 3/2 次方（r3/2 ）成反比。 （7）质速关系问题。 对于质速关系 m m0 / 1 u / c ，最明显的不合理结果是当速度趋于无穷大时，质
以此类推，这样的修改还有完吗？ 本例也取自参考文献[1]。 （3）光速不变原理的问题。 光速不变原理称，光在真空中沿直线以速度 c=300，000 公里／秒传播。 下面我们解释光速不变原理是错误的， 并指出光线在真空中传播时， 其速度的方向和量 值都是可变的。 其方向的变动范围是 0º到 180º之间， 其量值的变动范围是 0 到 2c （c=300， 000 公里／秒）之间。至于其它物质和粒子的速度，笔者同意美籍罗马尼亚学者司马仁达奇 的观点，宇宙中不存在速度的上限。存在速度的上限的假设，将与能量守恒原理相抵触。 由于光速是矢量，因此讨论光速是否可变就要从方向和量值两个方面来考虑。 现在我们说明光速在方向和量值两个方面都是可变的。 光速在方向上是可变的，这一点爱因斯坦也是承认的。 爱因斯坦指出， 广义相对性原理的一个有意义的推论和结论是： 光线在引力场中一般沿 曲线传播。 由于光线的弯曲只有在光的传播速度随位置而改变时才能发生， 因此我们只能作 这样的结论： 不能认为狭义相对论的有效性是无止境的， 只有在我们能够不考虑引力场对现 象（例如光的现象）的影响时，狭义相对论的结果才能成立。 爱因斯坦在这里说得很清楚，光速的方向在引力场中是可变的，因而光速是可变的。 这里立即出现一个爱因斯坦可能没有考虑过的问题： 难道只有在引力场中光线才会弯曲 吗？ 其实不然。在 2007 年 6 月，科技日报等媒体刊登一篇报道称，可使光线弯曲的新材料 可造隐身衣。虽然爱因斯坦的研究工作也并未证实光线可以这样发生弯曲。但是，美国杜克 大学科学家在几周前宣布，他们揭开了“隐身衣”的神秘面纱，成功地让一个面积为 5 平方 英寸的物体避过了微波探测。这种物质能改变微波的方向，使之绕过该物体。杜克大学研究 人员表示， 他们希望能够开发出可以躲过其他类型的电磁辐射隐形衣， 让外裹隐形衣的区域 甚至能够躲过可见光。 另一个极为明显的事实是， 光线沿着不等于零的角度投向镜面时， 经过反射之后就改变 了方向。 在这种情况下，光速在方向上的变动范围是 0º到 180º之间。 下面讨论光速在量值上的变化范围。 现在我们考虑两束光线，以其中一束光线为参照系来考察另一束光线的速度。 既然可以选择以速度 v 在路轨上行驶的车厢作为参照系， 就应当允许选择一束光线为参 照系。 如果以其中一束光线为参照系， 当两束光线位于同一条直线上且方向相同时 （其夹角等 于 0º） ，另一束光线的传播速度相对于第一束光线就等于零。当两束光线位于同一条直线上 且方向相反时（其夹角等于 180 º） ，另一束光线的传播速度相对于第一束光线就等于 2c （c=300，000 公里／秒） 。当两束光线之间的夹角为其他量值时，另一束光线的传播速度相 对于第一束光线就介于 0 到 2c 之间。 根据速度合成法则，假设从某一点同时射出两束光线（夹角为θ ） ，从第一束光线最前 端的光子观察第二束光线最前端的光子，其速度则为
狭义相对论悖论
狭义相对论悖论狭义相对论是爱因斯坦于1905年发表的一部重要科学著作，它对我们对时间、空间和物质的观念提出了一种全新的理解。
然而，在狭义相对论中也存在一些悖论，即一些不符合我们日常经验的现象，下面将介绍其中的几个主要悖论。
狭义相对论中的双生子悖论。
考虑这样一个例子，A和B是一对双胞胎兄弟，在地球上出生后，B乘坐一个高速飞船离开地球，以相对地球接近光速的速度飞行一段时间后返回地球。
根据狭义相对论的观点，B飞船上时间的流逝会比地球上的时间慢，因此当B返回地球时，他的年龄会比A的年龄小。
然而，这与我们的日常经验相悖，因为在飞船中的B在飞行过程中也经历了一段时间，他应该比地球上的A更长寿。
狭义相对论中的杆缩短悖论。
根据狭义相对论，当一个物体以接近光速的速度运动时，其长度会在运动方向上缩短。
比如，一根长10米的杆子以接近光速的速度飞行，根据狭义相对论，杆子的长度会缩短。
然而，这与我们的直观感觉相悖，因为我们无法理解如何可能发生杆子长度的变化。
狭义相对论中的光速同步悖论。
根据狭义相对论，无论观察者相对于光源运动的速度如何，光速都是一个恒定不变的常数。
然而，这与光速同步的概念相悖。
假设一个观察者在离一个光源较远的位置同时观测两个发光源发出的信号，根据狭义相对论的观点，由于观察者与光源之间存在相对运动，两个信号的到达时间将会有所差异。
然而，根据光速同步的概念，两个信号应该同时到达观察者的位置。
狭义相对论中的无穷质量悖论。
根据狭义相对论，当一个物体以接近光速的速度运动时，其质量会增加。
当速度无限接近光速时，物体质量趋于无穷大。
然而，这与常识相悖，因为我们无法想象一个物体的质量无限增大。
总结起来，狭义相对论在解释时间、空间和物质的行为上提供了一种全新的视角。
然而，在一些情况下，它与我们的日常经验产生了悖论。
这些悖论挑战我们的直观感受和理解，也促使科学家们继续深入研究相对论，并提出更复杂的理论来解释这些现象。
狭义相对论悖论
1.长度收缩悖论：当一个物体以接近光速的速度运动时，观察者可能会发现该物体在其运动方向上的长度变得更短。这被称为长度收缩。然而，对于运动物体的自身观察者来说，他们认为自己的长度是不变的。解释：这是由于狭义相对论中的时间和空间的相对性。在相对论中，物体的长度在不同的参考系中是不同的，因此观察者的观察结果可能会产生偏差。
总的来说，狭义相对论和广义相对论虽然涉及到一些看似悖论的情况，但它们都是经过精确计算和实验验证的科学理论，能够准确地解释自然界的现象，并与实验结果相符。这些所谓的悖论实际上是由于我们在高速和强引力场下，常识与直觉所产生的错觉。
4.时空弯曲悖论：根据广义相对论，质量和能量弯曲了时空，形成了引力场。然而，这样的弯曲可能导致时间的奇怪效应，比如时间的流逝速率可能因引力的影响而不同，引发时间旅行的悖论。解释：时空的弯曲是广义相对论的基本原理，它解释了引力的产生和运动的轨迹。关于时间旅行的悖论则是对未来科技的猜测和假设，并没有得到实际证实。
2.同步悖论：在相对论中，两个事件在不同参考系中可能并不是同时发生的，即一个观察者可能认为两个事件是同时发生的，而另一个观察者认为它们不是同时发生的。解释：这是由于相对论中的时间相对性。不同参考系中的时间流逝速率是不同的，因此导致观察者对事件的同时性有不同的看法。
3.质量增加悖论：根据相对论，当物体以接近光速运动时，其质量会增加。这看似与牛顿Байду номын сангаас学的质量不变原理相矛盾。解释：质量增加是由于相对论中的动能增加。当物体以高速运动时，它的动能增加，从而导致其质量增加。这并不违反能量守恒定律，因为随着动能的增加，物体的能量也随之增加。
狭义相对论和广义相对论的几条结论
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《狭义相对论的基本原理》 说课稿
《狭义相对论的基本原理》说课稿尊敬的各位评委、老师们：大家好！今天我说课的内容是“狭义相对论的基本原理”。
下面我将从教材分析、学情分析、教学目标、教学重难点、教学方法、教学过程以及教学反思这几个方面来展开我的说课。
一、教材分析“狭义相对论的基本原理”是物理学中的重要内容，它在现代物理学的发展中具有举足轻重的地位。
本次授课所选用的教材在内容编排上，先介绍了经典物理学的局限性，为引入狭义相对论的基本原理做好了铺垫。
教材通过生动的实例和简洁的推导，阐述了狭义相对论的两条基本原理：相对性原理和光速不变原理。
同时，教材还对狭义相对论带来的时空观念的变革进行了初步探讨，有助于学生理解相对论的本质和意义。
二、学情分析学生在学习本节课之前，已经掌握了经典物理学的一些基本概念和规律，如牛顿运动定律、万有引力定律等。
然而，对于相对论这种较为抽象和颠覆传统观念的理论，学生可能会感到难以理解和接受。
在思维能力方面，高中生已经具备了一定的逻辑思维和抽象思维能力，但对于相对论这种需要突破传统思维模式的知识，还需要教师进行引导和启发。
三、教学目标基于对教材和学情的分析，我制定了以下教学目标：1、知识与技能目标（1）学生能够理解狭义相对论的相对性原理和光速不变原理。
（2）学生能够运用狭义相对论的基本原理解决简单的物理问题。
2、过程与方法目标（1）通过对经典物理学和狭义相对论的比较，培养学生的批判性思维和创新能力。
（2）通过对相对论实例的分析和讨论，提高学生的逻辑思维和分析问题的能力。
3、情感态度与价值观目标（1）激发学生对物理学的兴趣，培养学生探索科学的精神。
（2）让学生认识到科学是不断发展和进步的，培养学生的科学态度和价值观。
四、教学重难点1、教学重点（1）狭义相对论的相对性原理和光速不变原理的内涵。
（2）理解狭义相对论带来的时空观念的变革。
2、教学难点（1）相对性原理和光速不变原理的理解和应用。
（2）相对论中时间膨胀和长度收缩等概念的理解。
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论狭义相对论存在的缺陷
[摘要]现在，我们有充分的事实和理由认为，狭义相对论存在缺陷。
如果真是这样的话，狭义相对论将面临被否定的命运。
所以把这些缺陷指出来，则意义重大。
[关键词]狭义相对论洛伦兹变换同时的相对性光行差菲索
流水实验惯性系
中图分类号：g633.7文献标识码：a文章编号：1009-914x（2013）17-0099-02
目录
（一）：对车厢中小球运动的时间的研究1 (3)
（二）：由惯性系的基本特性研究出的理论3 (5)
引言：科学界对狭义相对论质疑的研究，主要集中在二个方面，一：对“光速不变性”公设的质疑，对3k微波辐射及射电星系的无线电波进行的观测均发现了在地球运动方向有明显的各向异性。
这些现象证明了光速与接受者的速度有关，因此光速是可变的。
二：对“不可能有超光速”推论的质疑的研究，现在已研究出了很多超光速现象。
这些研究成果，不足以否定狭义相对论。
而我们从狭义相对论中的基本理论开始研究，在其中得出相互矛盾的结论，并研究出狭义相对论的具体缺陷，这使得我们能够完全否定定狭义相对论，为我们能够建立新的时空理论，打下牢靠的基础。
1 对车厢中小球运动的时间的研究
我们通过在直线匀速运动火车车厢中做小球发射实验，来证明狭
义相对论或洛论兹变换存在着巨大的矛盾。
在证明前，我们必须了解一下洛论兹变换，它
上面的理论和公式说明，动系中的一个时刻，必然对应着静系中的一个时刻，反过来也是如此。
由此可得出，动系中两个时刻相等，必然在静系中观测到这两个时刻相等，这也就是说，在动系中观测到同时，必然在静系中也能观测到同时。
而狭义相对论中“同时的相对性”大致内容为：在以速度v运动的火车车厢中，前后门都用光脉冲信号控制开关，在车厢中点向前后发射光脉冲信号，在与车厢静止的动系中可观测到，光脉冲信号同时到达前后门，前后门同时开启，这两个事件同时。
在静系中观测到，由于光速不变原理，光脉冲向前后的速度都是c，前后门以速度v前进，所以光脉冲相对于后门的速度为c+v，光脉冲相对于前门的速度为c-v，在静系看来，后门先开，前门后开，这两个事件不同时。
显然，在静系中观测到的前后门开启不同时，这违背了以上我们得出的理论，所以这个结论是错误的。
2 由惯性系的基本特性研究出的理论
狭义相对论中的一些理论，在某些方面存在矛盾。
根据对惯性系的最基本知识的研究可得，在与地面静止的静系中可观测到，在一与地面以速度v行驶的火车车厢中，火车车厢中任一物体都具有与地面以速度v的运动。
火车车厢运动系即动系中一个运动物体，在静系中观测到它具有速度v，但不可能在静系中同时又观测到它不具有这一速度v.
根据以上可得，火车车厢运动系中即动系中存在的光脉冲，在静系可观测到，它具有速度v，前后门在静性中也具有速度v，如果在车厢中点，分别向前后发射两个光脉冲，那么在静性中必然观测到光脉冲相对于前后门的速度是相等的；在静系中观测到，车厢中的光脉冲相对于前后的传播速度是不同的。
根据以上和“同时的相对性”中得出的在地面即静系中观测到的以速度v运动的车厢中点向前后发射光脉冲相对于前门和后门的速度分别为c-v和c+v的结论，可以得出，在静系中观测到光脉冲向前和向后的传播速度都是c。
对比以上两种情况可得，由于处在动系中的光脉冲，可在静系中观测到它具有动系的速度v，所以在静系中观测到光脉冲相对于前后的传播速度是不同的。
反过来讲，在静系中观测到处在动系中的光脉冲相对于前后的速度都为c，那么在静系中可观测到，处在动系中的光脉冲不具有动系的速度v，这是从狭义相对论中得出的结论。
而狭义相对论在论证“时钟推迟”的过程中，证明处在动系中的光脉冲在静
公式（4）
从上面可知，在动系即地球系s？中可观测到，进入到地球系s？中的星光在-x？方向上的速度分量值为-u，所以在静系即恒星参考系s中可观测到该星光在x方向的速度分量值为零，在静系中星光不具有动系即地球系s？的速度u。
这和以上“时钟推迟”采用的结论截然相反。
解决以上矛盾，形成新的时空理论。
作者经过研究得出：如果光源和发射的光子都处在动系中，在静系中能观测到该光子具有动系的速度v，由静系进入到动系中的光子，在静系中观测到，该光子是不具有动系的速度v，反过来讲，动系中的光子进入静系中，在静系中观测到，这个光子也不具有动系的速度v。
由静系进入到动系中的光子，在静系中观测到，该光子不具有动系的速度u的，所以，当星光由恒星参考系从地球上方进入地球后，在恒星参考系即静系中可观测到，该星光不具有地球系即动系的速度u，由此可得，在地球系中观测到星光在-x？的方向具有一个为-u的速度，根据这可最终解释“光行差”现象。
参考文献
[1] 黄志洵，2005.超光速研究的理论和实验.科学出版社，144.
[2] 梁绍荣，池无量，杨敬明，1988.波动光学与近代物理.北京师范大学出版社，123-146.
[3] 郑庆璋，崔世治，2003.相对论与时空.山西科学技术出版社，103-105.。