爱因斯坦之后 论狭义相对论的局限性

爱因斯坦之后

——拙论狭义相对论的局限性和物理学的发展

汪名永高一（11）班指导教师：刘光辉

300多年前，物理学的伟大奠基者牛顿站在巨人的肩膀上提出了物体运动的三大定律和万有引力定律。

100多年以前，对于经典力学在高速运动和强引力上的局限性，爱因斯坦创立了改变世界的相对论，否定了经典时空观。

狭义相对论认为，物体运动时，质量会随着物体运动速度增大而增加。即一个静止时质量为m 0的物体在速度为v 时质量为m ；而在同时，=m 01-v 2c 2空间、时间也会发生变化，即空间上发生尺缩效应，时间随速度增大而减慢，发生钟慢效应。如同样的两座钟，放在赤道和极地，由于地球自转，不同纬度、速度不同，所以赤道的钟会转的慢一些。

广义相对论认为，空间和时空的性质不仅仅取决于物质的运动状态，还取决于物质本身的分布情况。例如：假设有一个球形天体的总质量m 不变，通过压缩来减小半径以增大表面引力。现在以经典力学和广义相对论分别讨论引力随半径变化的关系。根据

经典力学中的“平方反比”规律，当该球形天体半径压缩为原来的,则表面引力增加1n

到原来的n 2倍。但爱因斯坦的广义相对论中的引力理论表明，当n 大于0时，引力增

加到大于原引力的n 2倍。当n 小于0时（指该球形天体膨胀的情况），引力减小到小于

原引力的n 2倍，并且半径变化越大，引力的实际变化值与经典力学的计算结果差距越

大。也就是说，在密度更大的天体上，这种差距更加明显，像白矮星、中子星以及史蒂

芬·霍金先生正致力于的黑洞。

以上就是相对论在高速度与强引力方面对于经典力学系统中的不足的极大发展，是物理学领域的一次重大变革。

相对论力学发展了牛顿力学，否定了绝对时空观，揭示了时间和空间的本质属性，推动物理学走到了一个新的高度。

牛顿力学在研究宏观低速运动上适应了200多年，但在高速运动和微观物理学研究上表现出来的不足在过去的100多年里被一代代致力于物理学研究的巨人们以理论和真知补平。就像爱尔兰作家萧伯纳所说的“科学就是从正确走向错误。”是的，牛顿力学是广泛真理在100多年的时期的特殊表现形式。而在我看来，科学的历史是惊人地相似的，所以相对论力学必将是另外一个更为广泛的真理在低于光速时的特殊表现形式。

也就是说，根据物理学的发展规律，相对论力学在伟大的同时也一定具有不可避免的局限性。下面我仅讨论狭义相对论在光速甚至超光速运动上的局限性。

1、对于经典力学存在的认识论上的缺点，狭义相对论同样存在。物理学家马赫就曾敏锐地提出了这个问题：“为什么惯性系在物理上比其他参考系都优越？”是的，狭义相对论无法从理论上阐述惯性坐标系优越的物理原因，不能够证实物理学的因果性原则。

2、对于前面提到的质量随运动状态变化的关系式m ，我认为其局限性在=m 0

1-v 2c 2于不适宜达到光速和超光速运动的研究。假设物体运动速度达到光速，则该式可表示为m ，∵分母=0，∴该情况下狭义相对论无意义。如果物体速度超过光速，=m 0

1-c 2c 21-c 2c 2即v ＞c ，原式可表示为m ，分母为，∵v ＞c ，∴＜0，根据被开方=m 0

1-v 2c 21-v 2c 21-v 2c 2数的非负性，可判断超光速情况下狭义相对论无意义。

3、另外，狭义相对论与引力现象存在矛盾。从狭义相对论的角度出发，物体的质

量是其所含能量的量度，因为E =m c 不变，E ,m 成正比例。如果能量改

，c 2变了m 倍，那么质量也将改变倍。按照这个思路，物体的惯性质量随其能量改m

9×1020变，也就可以推出：落体运动的加速度与它的水平速度或内能有关。这显然与一个基本事实相悖：引力场内的一切物体都具有同一加速度。

综上所述，一切理论都有其局限性，但并不能否定理论的正确性。例如相对论力学只是发展了经典力学，并没有否定经典力学体系，只是指出它的适用范围是低速弱引力运动的研究。所以我们对于一切理论都应从实际出发，理性地看待和学习，物理学的发展在于不断开拓和否定，从正确走向错误，再由错误走向正确。