对狭义相对论时空观的认识

如速度 越大 ，质量越 大。在 四维 时空里 ，质
量 （ 能 量 ） 实 际 是 四 维 动 量 的 第 四 维 分 或 量 ，动 量 是 描 述 物 质 运 动 的量 ， 因 此 质 量 与 运 动 状 态 有 关 就 是 理 所 当 然 的 了 。 在 四维 时 空 里 ， 动 量 和 能 量 实 现 了统 ，称 为 能 量 动 量 四 矢 。 另 外 在 四 维 时 空 里 还 定 义 了 四维 速 度 ， 四 维 加 速 度 ， 四维 力 ， 电 磁 场 方 程 组 的
量 ” 。 那 么 ， 能 否 按 同 时 测 量 的 规 定 ， 直 接 地 上 同一 Ｍ 点先 后 发 生 的 两 个 事件 ， 该 Ａｔ 应 由光 速 不 变 原 理 得 到 与 洛 仑 兹 变 换 相 符 合 的
长度收缩结果？
为 地 上 参 照 系 中 的 本 征 时 间 。在 列 车 参 照 系 中 的 观 察 者 看 来 ， 是 地 上 Ｍ 点 以速 率 ｖ 反 方 沿
定 ，可 以通 过理想 实验得 到与洛 仑兹 变换相 同的长度收缩结果。设静长为Ｌ的物体Ｍ 以匀 ｎ Ｎ
Ｉ ：Ｊ Ｅ ：｜ 维 ．
娥
胀效应，应有Ａｔ＝ ／ ， ｃ，故△ｔ Ａｔ Ａｔ４ ， 一 ／ √ ， ，也得ＬＬ√ ， 。 １ ｃ 一 ＝。ｌ ｃ 一
牛顿 的经典 力学对 自然界 宏观低 速领 域
物 理 现 象 的 解 释 作 出 了 巨 大 的 贡 献 ， 但 当对 物 质 世 界 的 研 究 领 域 从 宏 观 深 入 到 微 观 ， 从 低 速 进 入 到 高 速 ， 经 典 力 学 的 基 本 理 论 遇 到 了 困 难 ， 这 时 要 求 对 经 典 力 学 的 诸 多 理 论 和 概 念 作 出 修 正 ， 甚 至 是 根 本 性 变 革 。 随 着 爱 因 斯 坦 的 相 对 论 和 波 尔 等 人 的 量 子 力 学 的 相 继 诞 生 ，这 个 要 求 得 到 了 较 圆 满 的 解 答 。 狭 义相 对论是 建立在 四维 时空观 上的一
记下Ｍ 在地 上的对应位 置Ｍ 、Ｎ ￣ＬＭ 、Ｎ ， Ｉ ＝ Ｊ Ｎ 就 是 地 上 按 同 时 规 定 测 得 的 列 车 的 运 动 长
关 键 词 ： 狭 义相 对 论 ； 时 空观 ；理 解
在飞奔 的火 车上 ，测得 的光速 都是一 样的 。
不变原理。
度 。 为 了求 得 Ｌ 列 车静 长 Ｌ的 关 系 ，假 定 红 与
是 两 个 相 互 联 系 的 相 对 论 效 应 ， 没 有 时 间 的 膨 胀 ，也 就 没 有 长 度 的 收 缩 ， 时 间 与 空 间 是
一
ｌ
．
： Ｌ＃ ； 。 ＝ ：
ｒ—１ ———— —卜］
个不可分割的统 一 。 体
参考 文献 ：
［ ． 国 桢 ， 王 文 槿 主 编 ． 术 物 理 １］ 技
Ｎ 之 间 的 距 离 ， 也 即 列 车 的 运 动 长 度 为
Ｌ ｃＡｔ ＝ 。根 据 时 间膨 胀 效 应 ， 在 列 车 参 照 系
中测 量 时 ， 该 两 事 件 的 时 间 间 隔 为 Ａｔ ＝Ａｔ ／
个 理 论 ， 因 此 要 弄 清 相 对 论 的 内 容 ， 要 先 对 运 动 物 体 的 长 度 来 说 明 长 度 收 缩 与 时 间 膨 胀
结 论 。 也 就 是 说 ， 无 论 你 站 在 地 上 ， 还 是 站
如 图１ 设 物体 前 半 部 ０ 有 一 台 闪光 ， 点
灯 ，在０ 与 地上 ０ 点 点 重 合 时 分 别 向Ｍ Ｎ 、 方 向 发 出 红 绿 光 。若 地 上 的 观 察 者 测 得 红 绿 光 同 时 达 到 Ｍ 两 端 ， 并 且 在 它 们 到 达 时 分 别 、Ｎ
＝
以上 的 讨 论 表 明 ， 长 度 收 缩 与 时 间 膨 胀
图ｌ
四维形式 等 。值 得一提 的是 ， 电磁场 方程组
的 四 维 形 式 更 加 完 美 ，完 全 统 一 了 电 和 磁 ， 电 场 和 磁 场 用 ～ 个 统 一 的 电 磁 场 张 量 来 描 一 述 。 四 维 时 空 的物 理 定 律 比三 维 定 律 要 完 美 的 多 ，这 说 明 我 们 的 世 界 的 确 是 四 维 的 。 可 以说 至 少 它 比牛 顿 力 学 要 完 美 的 多 。 伽利略 曾经指 出，运 动的船 与静 止的船 上 的 运 动 不 可 区分 ，也 就 是 说 ， 当 你 在 封 闭
此 ， Ｌ Ｍ Ｎ ＝ ｔ－ ＝ 就 是 地 上 测 量 的列 ＝ ｖ（２ ｔ） ｖＡ ｔ
物 体 前 后 坐 标 Ｘ和 ｘ都 在 不 断 的 变 化 ， 两 端 ， 读 数 的 先 后 不 同和 时 间 差 的 大 小 ，都 会 影 响 测 量 的 结 果 。 为 此 ， 有 必 要 规 定 一 个 统 … 的
— ，．
１ 广————］Ｊ． ； Ⅳ ｔｔ Ｉ Ⅳ ｔｔ 。 Ｉ
．
［ 】 北京： 高等教育 出版社 ，２ ０ ，６ Ｍ ． ０１ ［］ ２ 刘辽 ，费保俊 ，张允 中编著 ，现代物
理基础 丛书 ，狭 义相对论 （ 第二版 ）． 学出 科
版 社 出版 ，２ ０ ，７ ０８
的船舱里 ，与外 界完全 隔绝 ，那么 即使你拥 有 最发达 的头脑 ，最先进 的仪 器，也 无从感
、 Ｖ Ｃ。应该 注意 ，尽管红绿光 的发 出与会 ＾ ２ 一／
合 在 车 上 不 是 同 一 地 点 ， 但 在 Ａｔ 间 内 ， 时 两 光 的传 播 总 路 程 仍 是 列 车 静 长 的 两 倍 ，而 且 每 一 条 光 的传 播 路程 都 等 于 Ｌ，故 Ｌ＝ ０ 。ｃ ｔ Ａ
对 于一个 运动 的物体 ，按 同时测 量的规
向经过相距 为列车静长Ｌ的Ｎ 端 ，其时间间 、Ｍ 隔是 Ａｔ ＝ ｖ Ｌ／ ，以ｖ Ｌ／Ａｔ代 入前式 ，可得 ＝
Ｌ Ｌ Ａｔ ＝ ／Ａｔ 。 Ａｔ Ａｔ 同 样 两 事 件 在 地 和 为 上 和 列 车 参 照 系 中 的 时 间 间 隔 ， 根 据 时 间 膨
测量 方法 ，作为测 量运 动物体 长度或 物体运 动 长 度 的 共 同 标 准 。 这 个 标 准 就 是 “ 时 测 同
车 运 动 长 Βιβλιοθήκη Baidu ， 由 于 Ｎ 合 和 Ｍ Ｍ 重 合 是 、Ｍ 重 、
四 维 时 空 不 仅 限于 此 ， 由 质 能 关 系 知 ， 质量和 能量 实际是一 回事 ，质量 （ 能量 ） 或 并 不 是 独 立 的 ， 而 是 与 运 动 状 态 相 关 的 ， 比
发 生 的 两 个 事 件 。 设 其 时 间 间 隔 为 Ａｔ ，则 Ｍ
、
由这 两 条 基 本 原 理 可 以 直 接 推 导 出 相 对 论 的坐 标 变 换 式 ，速 度 变 换 式 等 所 有 的 狭 义
相对论内容。
狭 义 相 对 论 时 空 观 告 诉 我 们 ： 运 动 的 杆 会 缩 短 ， 运 动 的 时 钟 会 变 慢 ， 同 时 是 相 对 的 。它 是 建 立 在 洛 仑 兹 变 换 之 上 ， 从 根 本 上 改 变 了 古 老 的 时 空 观 。 下 面 我 们 从 测 量 一 个 是 两 个 相 互 联 系 的 相 对 论 效 应 ， 从 而 使 我 们 能 更好 地 理 解 相 对 论 原 理 。 测 量 静 止 物 体 的 长 度 时 ， 只 须 分 别 读 出
的 ，也 就 是 说 时 空 是 统 一的 ， 不 可 分 割 的 整 体 ， 它 们 是 一种 “ 消 彼 长 ” 的关 系 。 此
物 体的坐标Ｘ和 Ｘ，便可 由Ｌ＝ ２Ｘ得到物 体 ０ｘ－ 沿 Ｘ 向 的 长 度 。 Ｌ 是 物 体 的 静 长 ， 其 大 小 方
与物 体两 端读数 的先后 无关 。而对 于一个运
相 对 论 效 应 ， 时 间 与 空 问 是 一 个 不 可 分 割 的
统一 体 。
不 知 道 我 们 整 个 宇 宙 的 整 体 运 动 状 态 ， 因 为
速 ｖ Ｘ 向 在 地 上 行 驶 ， 下 面 从 两 种 在 地 上 沿 方 测 量 物 体 运 动 长 度 Ｌ 方法 来 说 明这 一 问题 。 的
知 你 的 船 是 匀 速 运 动 ，还 是 静 止 。 更 无 从 感 知 速 度 的大 小 ， 因 为 没 有 参 考 。 比 如 ， 我 们
专 一—— — — ； ［ —— ］ — —
宇 宙是封 闭的 。爱 因斯 坦将其 引用 ，作为狭 义 相 对 论 的 第 一 个 基 本 原 理 ： 狭 义 相 对 性 原
理 。 其 内容 是 ：惯 性 系 之 间 完 全 等 价 ， 不 可 区分。 著 名 的 麦 克 尔 逊 — — 莫 雷 实 验 彻 底 否 定 了光 的 以太 学 说 ， 得 出 了 光 与 参 考 系 无 关 的
这 就 是 狭 义 相 对 论 的 第 二 个 基 本 原 理 ， 光 速 绿 光 在 地 面 参 照 系 中 经 相 同 时 间 达 到Ｍ 后 立 Ｎ
即发 生正 反射 ，于是 ，在 地面 上 看 ，从Ｍ 、
Ｎ 射 回 去 的 红 绿 光 ， 仍 将 经 历 相 同 的 时 间 反 和 相 同 的 路 程 重 新 在 ０ 点 会 合 。这 样 ， 红 绿 光 的 发 出 与 会 合 ， 就 成 为 地 上 同 一 Ｏ 点 先 后
相对 论 的时空观有 个大体 了解 。在数 学上有 各种 多维 空间 ，但 目前 为止 ，我们认 识的物
理世 界只是 四维 ，即三维 空间加 一维 时间 。 四维 时 空 是 构 成 真 实 世 界 的 最 低 维 度 ， 我 们 的 世 界 恰 好 是 四 维 ， 至 于 高 维 真 实 空 间 ， 至 少 现 在 我 们 还 无 法 感 知 。 一 把 尺 子 在 三 维 空 间 里 （ 含 时 间 ）转 动 ，其 长 度 不 变 ，但 旋 不 转 它 时 ， 它 的 各 坐 标 值 均 发 生 了变 化 ，且 坐 标 之 间 是 有 联 系 的 。 四 维 时 空 的意 义 就 是 时 间 是 第 四 维 坐 标 ， 它 与 空 间 坐 标 是 有 联 系
叁 旦
△ 医 圈
对 狭 义 相 对 论 时 空 观 的 认 识
文◎ 魏 兆伟 （ 达州职业技术学 院 机 电工程系 四川 达州 ） １
摘要 ：相对论 是伟 大物理 学 家爱 因斯 坦 二 十世 纪初 的杰作 ，它的 出现 表征 了时 空观 的伟 大变革 ，为人 类 更好 认识 物质世 界作 出 了卓 越 的 成 就 文 章 主 要 从 测 量 运 动 物 体 长 度 这个 方面去认 识狭 义相 对论 的 时空观 。以 说 明长度 收缩与 时 间膨胀 是 两个相 互联 系的
动 的 物 体 ， 其 长 度 的 测 量 怎 样 进 行 呢 ？ 由 于
＝ ／ ， ＝ ／＾ ， ，由此可得 出列车 ｃ ｔ 一 ｃ Ｌ 、 ｃ Ａ 一
运动长度Ｌ Ｌ／ 卜 ｃ。 ＝ ．√ ． 再 如 图２ ，设 列 车 前 方 Ｎ 于 ｔ时刻 经 过 地 端
上 Ｍ ， 列 车 后 方Ｍ 于 ｔ时 刻 经 过 同 一 Ｍ 点 端 ， 。 由 于 车 速 为ｖ 在 ｔ时 刻 ， Ｎ 该 前 进 ｖ ｔ－ ， 应 （ ｔ） ２ 的 距 离 到 达 地 上 Ｎ ， 于 是 ， Ｍ Ｎ 就 是 地 点 、 上 于 ｔ时 刻 同 时 确 定 的 列 车 两 端 的 位 置 ， 因 ，