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相对论 - 维基百科,自由的百科全书

あい对论

物理ぶつり理論りろん
重定しげさだこう相對そうたいろん

相對そうたいろん英語えいごTheory of relativity关于时空引力いんりょくてき论,主要しゅようゆかり爱因斯坦创立,研究けんきゅう对象てき不同ふどう可分かぶんせま义相对论广义しょう对论あい对论量子力学りょうしりきがくてき提出ていしゅつ给物理学りがく带来りょう革命かくめいせいてき变化,它们共同きょうどう奠定りょう现代物理ぶつりがくてきもと础。あい对论极大あらため变了じん类对宇宙うちゅう自然しぜんてきつね识性”观念,提出ていしゅつりょうどう时的しょう对性”、“よん时空”、“弯曲时空”とうぜんしんてき概念がいねん过近年来ねんらいにん们对于物理ぶつり论的ぶん类有りょういち种新てき认识——以其论是决定论的らい划分经典あずか经典てき物理ぶつりがくそく古典こてんてき量子りょうしてき”。ざい这个义下,そう对论仍然一种经典的理论。

該理ろんだいりょう200ねんまえ主要しゅようゆかりもぐさ薩克·うしとみ創立そうりつてき力學りきがく理論りろんしたがえ改變かいへんりょう20世紀せいきてき理論りろん物理ぶつりがく天文學てんもんがく,它引いれてき概念がいねん包括ほうかつ時空じくう同時どうじせい相對そうたいせい運動うんどうがく重力じゅうりょく時間じかん膨脹ぼうちょうろう侖茲收縮しゅうしゅくざい物理ぶつりがく領域りょういき相對そうたいろん改善かいぜんりょう基本きほん粒子りゅうしてき科學かがく以及它們てき基本きほん相互そうご作用さよう,以及むかえらいかく時代じだい。 另外,藉由相對そうたいろん物理ぶつり宇宙うちゅうがく天體てんたい物理ぶつりがくあずかはかりょう中子なかごぼしくろほら重力じゅうりょく

相對そうたいろん提出ていしゅつ以前いぜん

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ざいせま义相对论提出ていしゅつ以前いぜんにん们认为时间和そら间是各自かくじ独立どくりつてき绝对てき存在そんざいとぎりゃく时代以来いらい这种绝对时空てき观念就开はじめ建立こんりゅううし顿创りつてきうし顿经てん力学りきがく经典运动がく就是ざい绝对时空观的もと础上创立。而爱いん斯坦てきしょう对论ざいうし顿经てん力学りきがくむぎかつ斯韦经典电磁がくとうてきもと础上くび提出ていしゅつりょうよん维时そらてき概念がいねん,它认为时间和そら各自かくじ绝对てき,而绝对的一个它们的整体——时空,ざい时空ちゅう运动てき观者建立こんりゅう自己じこてき参照さんしょうけい以定义“自己じこてき”时间そら间(そく对四维时空做“3+1分解ぶんかい”),而不同ふどうてき观者所定しょてい义的时间そら间可以是不同ふどうてき具体ぐたいてきらい说,ざい闵氏时空ちゅう:如果いち个惯せい观者( あい对于另一个惯せい观者( ざい做匀そく运动,则他们所定しょてい义的时间( あずか かずそら间( あずか 间满あしらく伦兹变换。而在这一变换关系下就可以推导出“しゃく缩”、“钟慢”とうこう应,具体ぐたいせま义相对论条目じょうもくよし为爱いん斯坦まえてき科学かがく们并ぼつ有高ありだかそく运动てき观测たい验,所以ゆえん绝对时空观在古代こだい科技かぎ水平すいへい无疑真理しんり,而爱いん斯坦てきせま义相对论更新こうしんりょうじん们的世界せかい观,为广义相对论てき诞生奠定りょう坚实てきもと础。

ざい爱因斯坦以前いぜんにん们广泛的关注于むぎかつ斯韦かたほどざいとぎりゃく变换协变てき问题,也有やゆうじん(如庞加莱らく伦兹注意ちゅういいた爱因斯坦提出ていしゅつせま义相对论しょもと于的实验(如迈かつ尔孙-莫雷干涉かんしょう仪实验等),也有やゆうじん推导过与爱因斯坦类似てき数学すうがくひょう达式(如洛伦兹变换),ただしただゆう爱因斯坦はた这些いんもとあずか经典物理ぶつりてき时空观结あいおこりらい提出ていしゅつりょうせま义相对论,并极だいてきあらため变了わが们的时空观。ざいいちてんじょうせま义相对论革命かくめいせいてき

ざい十世纪以前的古典物理学裡,にん们采ようてきうしてき绝对时空观。而相对论てき提出ていしゅつあらため变了这种时空观,这就导致じん们必须依しょう对论てき要求ようきゅう古典こてん物理ぶつりがくてき公式こうしき进行あらためうつし,以使其具有ぐゆうしょう对论しょ要求ようきゅうてきらく伦兹协变せい而不以往いおうてきとぎりゃく协变せいざい古典こてん物理ぶつりてきさんだい领域ちゅう电动力学りきがく本身ほんみ就是らく伦兹协变てき,无需あらためうつし统计力学りきがくゆう一定いっていてき特殊とくしゅせいただし这一特殊性并不带来很多急需解决的原则上的困难;而古典こてん力学りきがくてきだい部分ぶぶん成功せいこうあらためうつし为相对论形式けいしき,以使其可以用らいさらこのみてき描述高速こうそく运动てき物体ぶったいただしこれただどくうし顿的引力いんりょく论无ほうざいせま义相对论てきかまち体系たいけいあらためうつし,这直接ちょくせつ导致爱因斯坦扩展其狭义相对论,而得いたりょう广义しょう对论。

せま义与广义しょう对论てき

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传统じょうざい爱因斯坦提出ていしゅつしょう对论てき初期しょきにん们以しょ讨论てき问题いやわたる及非惯性参考さんこうけいらいさく为狭义与广义しょう对论ぶん类的标志。ずいしょう对论论的发展,这种ぶん类方ほう越来ごえくえつ显出其缺てん——参考さんこうけい跟观察者ゆう关的,以这样一个相对的物理对象来划分物理理论,认为不能ふのう反映はんえい问题てきほん质。目前もくぜん一般いっぱん认为,せま义与广义しょう对论てき别在于所讨论てき问题いやわたる引力いんりょく(弯曲时空),そくせま义相对论ただわたる及那些没ゆう引力いんりょく作用さようあるもの引力いんりょく作用さよう以忽りゃくてき所有しょゆう物理ぶつり現象げんしょう,而广义相对论则是讨论ゆう引力いんりょく作用さよう时的物理ぶつりがくようしょう对论てき语言らい说,就是せま义相对论てき背景はいけい时空たいらただしてきそく四维平凡流形配以闵氏度规,其きょくりつ张量为零,またたたえ闵氏时空;而广义相对论てき背景はいけい时空则是弯曲てき,其曲りつ张量为零。

せま义相对论

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おもねしかはくとく·あいいん斯坦ざい1905ねんてき论文《论动たいてき电动力学りきがくちゅうかい绍了せま义相对论

せま义相对论建立こんりゅうざいしたれつてき两个矛盾むじゅんてき古典こてん力學りきがくてき假設かせつじょう

  1. せま义相对性原理げんりせま义协变性原理げんり):一切いっさいてき慣性かんせい參考さんこうけいみやこただしひら权的,そく物理ぶつり规律てき形式けいしき在任ざいにんなんてき惯性参考さんこうけいちゅうしょうどうてき。这意味いみ物理ぶつり规律对于いち静止せいしざい实验しつうらてき观察しゃ一个相对于实验室高速匀速运动着的电子しょうどうてき
  2. 光速こうそく原理げんり真空しんくうなかてき光速こうそく在任ざいにんなん参考さんこうけいつねてい变的,这用几何语言以表じゅつ光子こうしざい时空ちゅうてき世界せかい线总类光てき。也正よし光子こうしゆう这样てき实验せい质,在国ざいこく际单せいちゅう使用しようりょうひかりざい真空しんくうちゅう1/299,792,458びょう内所ないしょはし过的距离”らいてい义长单位“べい”(べい)。光速こうそく原理げんり宇宙うちゅう时空对称せいてきからだ现。(ちゅうほろてきちょう光速こうそく现象实验やめ证明ゆう误,无法推翻しょう对论[1]。)

よし此產せいてき理論りろん古典こてん力學りきがくさらのうおうづけ實驗じっけんれい如,假設かせつ2解釋かいしゃくりょう邁克せい-莫雷實驗じっけんてき結果けっか。 此外,該理ろん具有ぐゆう許多きょたれいじんおどろきいぶか發現はつげん。其中いち些是:

  • 同時どうじせい相對そうたいせい發生はっせいざい空間くうかんちゅう不同ふどう位置いちてき兩個りゃんこ事件じけん,它們てき同時どうじせいなみ具有ぐゆう絕對ぜったいてき意義いぎわが們沒辦法肯定こうていせつ它們ため同時どうじ發生はっせいわかざいぼう一參考系中此兩事件是同時的,のりざい另一相對於原參考系等速運動的新參考系中,此兩事件じけんはたさい同時どうじただいちてきれい外為がいためしん參考さんこうけいてき移動いどう方向ほうこう恰好かっこう垂直すいちょく於兩事件じけん空間くうかん位置いちてきれんせん方向ほうこう)。
  • 時間じかん膨脹ぼうちょう所有しょゆう相對そうたい於一個慣性系統移動的時鐘都會走得較慢,而這いちこうおうやめゆかりろう侖茲變換へんかん精確せいかく描述出來でき
  • 光速こうそく不變ふへん原理げんりかん物理ぶつり物體ぶったいかえ訊息あるせんてき傳播でんぱ速度そくど不能ふのう超過ちょうか空中くうちゅうてき光速こうそく
  • 加速度かそくどじゃくかげ物体ぶったい运动かい慢(加速度かそくどてき不同ふどう)てきほん质是光速こうそく变下てきうつり长度协变错觉,そく加速度かそくど为衡りょう物体ぶったい尺度しゃくどてきこく单位てきりょう加速度かそくどてき不同ふどう物体ぶったい衡量こくじゃく单位てき变换(也同时能够说あきらとぎりゃく变换これらく伦兹变换てきらく伦兹因子いんしとう于1时的いち个特れい)。
  • しつのう等價とうかE = mc2のうりょう質量しつりょう等價とうかてきなみ且可以互換ごかんため靜止せいし質量しつりょう完全かんぜんてんためのうりょう
  • 狹義きょうぎ相對そうたいろんちゅうてき質量しつりょういち物體ぶったいしょ具有ぐゆうてきそうのうりょう

狹義きょうぎ相對そうたいろんてき定義ていぎようろう侖茲變換へんかん代替だいたいりょう古典こてん力學りきがくてきとぎりゃく變換へんかん。(うまかつかたほどぐみてき電磁でんじ)。

广义しょう对论

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爱因斯坦ざい1915ねん左右さゆう发表てき一系列论文中给出了广义相对论最初的形式。くびさき注意ちゅういいたりょうしょう为(じゃくとうこう原理げんりてき实验ごと实:引力いんりょく质量あずか惯性质量相等そうとうてき目前もくぜん实验证实,ざい てきせい确度范围ない,仍没ゆういた引力いんりょく质量あずか惯性质量てき别)。这一事实也可以理解为,とうじょりょう引力いんりょくそと受其他力たりき时,所有しょゆう质量あし够小(そく本身ほんみてき质量对引りょく场的かげ响可以忽りゃくてき测验物体ぶったいざいどう一引力场中以同样的方式运动。すんでしか如此,则不さまたげ认为引力いんりょく其实并不いち种“ちから”,而是一种时空效应,そく物体ぶったいてき质量(じゅん确的说应とう为非れいてきのう动张りょうのう够产せい时空てき弯曲,引力いんりょくげん对于测验物体ぶったいてき引力いんりょくせい这种时空弯曲しょ造成ぞうせいてき一种几何效应。这时,所有しょゆうてき测验物体ぶったい就在这个弯曲てき时空ちゅう做惯せい运动,其运动轨迹正该弯きょく时空てき测地线,它们遵守じゅんしゅ测地线かたほどせいざい这样てきおもえ,爱因斯坦いたりょう其广义相对论。

けい统的说,广义しょう对论包括ほうかつ如下2じょう基本きほんかり[2]。:

  1. 广义しょう对性原理げんり(广义协变せい原理げんり):にんなん物理ぶつり规律应该ようあずか参考さんこうけい无关てき物理ぶつりりょう表示ひょうじ出来できよう几何语言描述そく为,にんなんざい物理ぶつり规律中出なかいで现的时空りょう应当为该时空てき规或しゃよし其导てき物理ぶつりりょう
  2. 爱因斯坦场方ほど(详见广义しょう对论条目じょうもく):
    Einstein's field equations

 

具体ぐたいひょう达了时空ちゅうてきぶつ质(あいいん斯坦はりりょう)对于时空几何(はじむ曼曲りつはりりょうてきかげ响,其中对應力おうりょく-のうりょうはりりょうてき要求ようきゅう(其梯为零)则包含ほうがんりょう上面うわつら关于ざい其中做惯せい运动てき物体ぶったいてき运动かたほどてき内容ないよう

廣義こうぎ相對そうたいろんてきいち發現はつげん

したがえ技術ぎじゅつうえこう廣義こうぎ相對そうたいろんいちしゅ引力いんりょく理論りろん,其主よう特徵とくちょう它使ようりょう爱因斯坦场方ほどかたほどてきかい度量どりょうはりりょう,它定義ていぎりょう時空じくうてきひらけなぐがく結構けっこう以及たいぞう如何いか慣性かんせい運動うんどう

如果说到りょう十世纪初狭义相对论因为古典物理原来固有的矛盾、大量たいりょうてきしん实验以及广泛てき关注而呼よくいずるてき话,么广义相对论てき提出ていしゅつ则在ぼう种意义下论走ざいりょう实验前面ぜんめんてきいち实践。ざい此之まえ,虽然ゆう一些后来用以支持广义相对论的实验现象(如水にょすいほし轨道近日きんじつてんてき进动),ただし它们并不总是物理ぶつりがく关注てき焦点しょうてん。而广义相对论てき提出ていしゅつざい很大程度ていどじょうよし于相对论自身じしん发展てき需要じゅよう,而并于有一些实验现象急待有理论去解释的现实需要,这在物理ぶつりがくてき发展史上しじょう并不见的。よし而在しょう对论提出ていしゅつきさきてき一段时间内其进展并不是很快,ちょくいたきさきらい天文学てんもんがくじょうてき一系列观测的出现,さい使广义しょう对论ゆうりょう较大てき发展。いたりょう当代とうだいざい对于引力いんりょくてき观测对于一些高密度天体的研究中,广义しょう对论なる为了其理论基础之いち。而另いち方面ほうめん,广义しょう对论てき提出ていしゅつ也为じん们重しん认识いち些如宇宙うちゅうがく时间旅行りょこうとう古老ころうてき问题提供ていきょうりょうしんてき工具こうぐ视角。

应用

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あい对论主要しゅようざい两个方面ほうめん有用ゆうよういち高速こうそく运动(あずか光速こうそく拟的高速こうそく),いち强引ごういんりょく场。

  • ぜんたま衛星えいせい定位ていい系統けいとうてき衛星えいせいうえてき原子げんしがねたい精確せいかく定位ていい非常ひじょう重要じゅうよう。這些かね同時どうじ狹義きょうぎ相對そうたいろんいん高速こうそく運動うんどう而導致的時間じかんへん慢(-7.2 μみゅーs/にち),かず廣義ひろよし相對そうたいろんいん(較地めん物件ぶっけんうけたまわ受著較弱てき重力じゅうりょくじょう而導致時あいだへんかいこうおう(+45.9 μみゅーs/にち影響えいきょう相對そうたいろんてききよしこうおうそう較於地面じめんじょうてきかねぜんたま衛星えいせい定位ていい系統けいとうじょうてきかね運行うんこう較快。よし此,這些衛星えいせいてき軟件需要じゅよう計算けいさん抵消一切いっさいてき相對そうたいろんこうおう,以確保かくほ定位ていいじゅんかく[3]
  • 過渡かと金屬きんぞくてき內層電子でんし運行うんこう速度そくどごくかい相對そうたいろんこうおう不可ふかゆるがせりゃくざい設計せっけいある研究けんきゅう新型しんがたてき催化ざいどき便びん需要じゅよう考慮こうりょ相對そうたいろんたい電子でんし軌態のうきゅうてき影響えいきょうどう相對そうたいろんまた解釋かいしゃくなまりてき6s2惰性だせい电子对效应。這個こうおう解釋かいしゃくため何某なにぼう些化がく電池でんちゆうちょ較高てきのうりょう密度みつどため設計せっけいさらけいたくみてき電池でんち提供ていきょう理論りろん根據こんきょ[4]相對そうたいろん也可以解釋かいしゃくためなに水銀すいぎんざい常温じょうおん液體えきたい,而其金屬きんぞく卻不[5]

值得いちひさげてき原子げんしだんてき出現しゅつげん著名ちょめいてきしつのう關係かんけいしき 關係かんけいだい,而爱いん斯坦本人ほんにん肯定こうていりょういちてん[6]しつのう關係かんけいしきただ解釋かいしゃく原子げんしだん威力いりょくてき數學すうがく工具こうぐ而已,たいさく原子げんしだん意義いぎだい

對物たいぶつ理學りがく發展はってんてき影響えいきょう

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相對そうたいろん直接ちょくせつあいだ接地せっち催生りょう量子力學りょうしりきがくてき誕生たんじょう,也為研究けんきゅうほろかん世界せかいてき高速こうそく運動うんどう確立かくりつぜんしんてき數學すうがく模型もけい

ちゅう

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  1. ^ ちゅうほろちょう光速こうそくみやこただしこう线惹てきわざわい. 科学かがく网. [2012-04-17]. (原始げんし内容ないようそん于2021-03-24). 
  2. ^ Robert.M.Wald, General Relativity, The University of Chicago Press, 1984
  3. ^ GPS and Relativity. Astronomy.ohio-state.edu. [2011-11-06]. (原始げんし内容ないようそん于2015-11-14). 
  4. ^ Focus: Relativity Powers Your Car Battery. [2013-04-19]. (原始げんし内容ないようそん于2021-03-24) えい语). 
  5. ^ Relativity in Chemistry: The Color of Gold. [2013-04-19]. (原始げんし内容ないようそん于2019-06-05). 
  6. ^ 爱因斯坦. 《爱因斯坦文集ぶんしゅうだいさんかん. よし许良えい、赵中立ちゅうりつ、张宣さんこぼし译. しょう务印书馆. 1979: 335. CSBN 2017·212 ちゅうぶん(简体)). 关于原子げんし弹和罗斯ぶくわがところ做的仅仅:鉴于まれとく可能かのうくびさき拥有原子げんし弹的危险,わが签署りょういちふうゆかり西にしひしげとく起草きそう给总统的しん 

まいり

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外部がいぶ連結れんけつ

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