皮包如何保养:爱因斯坦的问题？

相对论分为广义相对论和狭义相对论
广义相对论的基本概念解释：

广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论之后，深入研究引力理论，于1913年提出的引力场的相对论理论。这一理论完全不同于牛顿的引力论，它把引力场归结为物体周围的时空弯曲，把物体受引力作用而运动，归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。因此，广义相对论亦称时空几何动力学，即把引力归结为时空的几何特性。

如何理解广义相对论的时空弯曲呢？这里我们借用一个模型式的比拟来加以说明。假如有两个质量很大的钢球，按牛顿的看法，它们因万有引力相互吸引，将彼此接近。而爱因斯坦的广义相对论则并不认为这两个钢球间存在吸引力。它们之所以相互靠近，是由于没有钢球出现时，周围的时空犹如一张拉平的网，现在两个钢球把这张时空网压弯了，于是两个钢球就沿着弯曲的网滚到一起来了。这就相当于因时空弯曲物体沿短程线的运动。所以，爱因斯坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。

进一步说，这个理论是建立在等效原理及广义协变原理这两个基本假设之上的。等效原理是从物体的惯性质量与引力质量相等这个基本事实出发，认为引力与加速系中的惯性力等效，两者原则上是无法区分的；广义协变原理，可以认为是等效原理的一种数学表示，即认为反映物理规律的一切微分方程应当在所有参考系中保持形式不变，也可以说认为一切参考系是平等的，从而打破了狭义相对论中惯性系的特殊地位，由于参考系选择的任意性而得名为广义相对论。

我们知道，牛顿的万有引力定律认为，一切有质量的物体均相互吸引，这是一种静态的超距作用。

在广义相对论中物质产生引力场的规律由爱因斯坦场方程表示，它所反映的引力作用是动态的，以光速来传递的。

广义相对论是比牛顿引力论更一般的理论，牛顿引力论只是广义相对论的弱场近似。所谓弱场是指物体在引力场中的引力能远小于固有能，力场中，才显示出两者的差别，这时必须应用广义相对论才能正确处理引力问题。

广义相对论在1915年建立后，爱因斯坦就提出了可以从三个方面来检验其正确性，即所谓三大实验验证。这就是光线在太阳附近的偏折，水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移，这些不久即为当时的实验观测所证实。以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验，很快在更高精度上证实了广义相对论。60年代天文学上的一系列新发现：3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论，从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学，已成为物理学中的一个热门前沿。

爱因斯坦一直把广义相对论看作是自己一生中最重要的科学成果，他说过，“要是我没有发现狭义相对论，也会有别人发现的，问题已经成熟。但是我认为，广义相对论不一样。”确实，广义相对论比狭义相对论包含了更加深刻的思想，这一全新的引力理论至今仍是一个最美好的引力理论。没有大胆的革新精神和不屈不挠的毅力，没有敏锐的理论直觉能力和坚实的数学基础，是不可能建立起广义相对论的。伟大的科学家汤姆逊曾经把广义相对论称作为人类历史上最伟大的成就之一。

狭义相对论就是
狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论，因此要弄清相对论的内容，要先对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。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思，只有数学意义，在此不做讨论。
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（不含时间）转动，其长度不变，但旋转它时，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的，也就是说时空是统一的，不可分割的整体，它们是一种”此消彼长”的关系。
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（或能量）并不是独立的，而是与运动状态相关的，比如速度越大，质量越大。在四维时空里，质量（或能量）实际是四维动量的第四维分量，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一，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，电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。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。至少由它的完美性，我们不能对它妄加怀疑。
相对论中，时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空，能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到，时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。
物质在相互作用中作永恒的运动，没有不运动的物质，也没有无物质的运动，由于物质是在相互联系，相互作用中运动的，因此，必须在物质的相互关系中描述运动，而不可能孤立的描述运动。也就是说，运动必须有一个参考物，这个参考物就是参考系。
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，我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态，因为宇宙是封闭的。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结论。也就是说，无论你站在地上，还是站在飞奔的火车上，测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理，光速不变原理。
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。比如速度变幻，与传统的法则相矛盾，但实践证明是正确的，比如一辆火车速度是10m/s，一个人在车上相对车的速度也是10m/s，地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s，而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情况下，这种相对论效应完全可以忽略，但在接近光速时，这种效应明显增大，比如，火车速度是0。99倍光速，人的速度也是0。99倍光速，那么地面观测者的结论不是1。98倍光速，而是0。999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢，对他来说也是光速。因此，从这个意义上说，光速是不可超越的，因为无论在那个参考系，光速都是不变的。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明，是无可挑剔的。正因为光的这一独特性质，因此被选为四维时空的唯一标尺。

1905年爱因斯坦（1879——1955）发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，其它任何事物——速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观察）而变化。这个理论形成了一个著名的公式：E=MC2狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）线性运动速度的加快，时间会变慢。其二：任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。提出时间和空间都是绝对的，空间和时间是完全分开的。然而，在相对论数学中，时间和三维空间——长、宽和高，一起构成一个四维空间框架，叫做时空关联集。
爱因斯坦从他的狭义相对论中推导出等式E=MC2（这里E是能量，M是质量，C是恒定的光速），他用这个等式解释了质量和能量是等价的。现在认为，质量和能量是同一种物质的不同形式，称为质能。例如，如果一个物体的能量减少了一定量E，则它的质量也减少等于MC2的量，然而，质能不会消失，只不过以另一种形式被释放，它叫辐射能量。
1915年发表了他的广义相对论。他解释了引力作用和加速度作用没有差别的原因。他还解释了引力是如何和时空弯曲联系起来的，利用数学，爱因斯坦指出物体使周围空间、时间弯曲，在物体具有很大的相对质量（例如一颗恒星）时，这种弯曲可使从它旁边经过的任何其它事物，即使是光线，也改变路径。广义相对论指出，时空曲率将产生引力。当光线经过一些大质量的天体时，它的路线是弯曲的，这源于它沿着大质量物体所形成的时空曲率。因为黑洞是极大的质量的浓缩，它周围的时空非常弯曲，即使是光线也无法逃逸。
几百年来牛顿的经典力学使众多人信服，因为他适用于低速、宏观的惯性系。而相对论适用于高速（接近光速）的或微观的量子态以及非惯性系，人们很难通过实验得以证实和观察，所以很多人无法接受这一事实。但相对论可以很好的解决这一问题。因此说相对论是现代物理学的奠基石。

-- 相对论
相对论

十九世纪后期，由于光的波动理论的确立，科学家相信一种叫“以太”的连续介质充满了宇宙空间，就象空气中的声波一样，光线和电磁信号是“以太”中的波。然而，与空间完全充满“以太”的思想相悖的结果不久就出现了：根据“以太”理论应得出，光线传播速度相对于“以太”应是一个定值，因此，如果你沿与光线传播相同的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速低；反之，如果你沿与光线传播相反的方向行进，你所测量到的光速应比你在静止时测量到的光速高。但是，一系列实验都没有找到造成光速差别的证据。
在这些实验当中，阿尔波特·迈克尔逊和埃迪沃德·莫里1887年在美国俄亥俄州克里夫兰的凯斯研究所所完成的测量，是最准确细致的。他们对比两束成直角的光线的传播速度，由于围着自转轴的转动和绕太阳的公转，根据推理，地球应穿行在“以太”中，因此上述成直角的两束光线应因地球的运动而测量到不同的速度，爱尔兰物理学家乔治·费兹哥立德和荷兰物理学家亨卓克·洛仑兹，最早认为相对于“以太”运动的物体在运动方向的尺寸会收缩，而相对于“以太”运动的时钟会变慢。并且洛仑兹提出了著名的洛仑兹变换。而对“以太”，费兹哥立德和洛仑兹当时都认为是一种真实存在的物质。而法国数学家庞加莱怀疑这一点，并预见全新的力学会出现。

马赫和休谟的哲学对爱因斯坦影响很大。马赫认为时间和空间的量度与物质运动有关。时空的观念是通过经验形成的。绝对时空无论依据什么经验也不能把握。休谟更具体的说：空间和广延不是别的，而是按一定次序分布的可见的对象充满空间。而时间总是又能够变化的对象的可觉察的变化而发现的。1905年爱因斯坦指出，迈克尔逊和莫雷实验实际上说明关于“以太”的整个概念是多余的，光速是不变的。而牛顿的绝对时空观念是错误的。不存在绝对静止的参照物，时间测量也是随参照系不同而不同的。他用光速不变和相对性原理提出了洛仑兹变换。创立了狭义相对论。

狭义相对论

狭义相对论适用于惯性参照系

1、 狭义相对论的两条基础原理

（1） 狭义相对性原理——在所有的惯性系中物理定律的形式相同。各惯性系应该是等价的，不存在特殊的惯性系。即事物在每个惯性系中规律是一样的。（从合理性上说）

（2） 光速不变原理——在所有的惯性系里，真空中光速具有相同的值。光速与广泛的运动无关；光速与频率无关；往返平均光速与方向无关。（该原理由迈克尔逊-莫雷实验引出。）

2、 狭义相对论运动学的核心——洛仑兹变换

有了这两个新的公理，则非常重要的洛仑兹变换关系就非常自然的推导出来了。讨论一个从t=0 x=0发出的光子在∑系和∑’系（在t=0时∑’系与∑系重合，以后∑’以V沿X轴方向运动。）中的情况，根据：

1、时空均匀性：x=γ(x’+vt’)
2、相对性原理：x’=γ(x-vt)

3、光速不变原理：x=ct

x’=ct’

其中：时空均匀性条件不是新的原理，一个固定的物体放在空间任一位置无论何时长度是相同的这是非常直观的，由简单的推理可知均匀时空的坐标变换是线性的。因为若设：x=ax’2+bt’,则任一瞬间（dt’=0）测量一物体长度：dx=2ax’dx’.可见对∑’系任一个dx’放在不同的x’，对∑系来说是长度不同的。也即对∑系空间是不均匀的这不符合直觉。因∑’与∑是等价的，∑’系变到∑系有x=γ(x’+vt’)，则∑系变到∑’就一定有x’=γ(x - vt)，可见相对性原理对不同的惯性系是公平的。最后由光速不变原理给出的两个关系，看起来费解，却有实验支持。这样解4个方程立即得到 和洛仑兹变换：

∑’系→∑系 ∑系→∑’系

x=γ(x’+vt’) x’=γ(x - vt)

y=y’ y’=y

z=z’ z’=z

t=γ(t’+vx’/c2) t’=γ(t-vx/c2)

洛仑兹变换统一了时空和运动，统一了高速世界和经典力学研究的低速情况。当v<<c时γ=1即洛仑兹变换变成了伽俐略变换。

3、 狭义相对论时空观

①同时的相对性：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，Δt’=0时，一般Δt≠0。称x’/c2为同时性因子。

②运动的钟变慢：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，因运动的钟在自己的参照系中Δx’=0，则Δt=γΔt’≥Δt’。

③运动的长度缩短：由Δx=Δx’/γ+vΔt，因测量运动的长度时必须Δt=0，则Δx=Δx’/γ= Δx’≤Δx’。常称 为收缩因子， 为膨胀因子。

4、 狭义相对论力学

（1） 相对论质量

讨论：∑系中质量为m0的A球以V沿x方向运动，相对∑系以V运动的∑’系上有同样的球B以相对∑’系ux’= -V运动，两球相碰发生完全弹性碰撞，如图：

根据：

对∑系由动量守恒：

（m+m0）ux=mv

对∑’系由动量守恒：

（m+m0）ux’= -mv

速度变换式：
解这几个方程就得到：m=γm0 竟然速度v增加（γ增加）质量m也要增加。

（2） 相对论质能关系

讨论：单个粒子在外力F作用下移动一段路程使得动能从0→EK。

根据：动能定理：A=ΔEK

牛顿定律：
质速关系：m=γm0

推导：Ek=Ek-0=ΔEK=
由 → m2c2-p2= m02c2 → pdp= mc2dm 代入上式得：

EK=
显然，粒子的总能量为：E=mc2

粒子的静止能量为：E0=m0c2

粒子的动能为：

EK=mc2 – m0c2=
可见粒子的动能不等于经典的形式，但当V<<c时，EK≈mV2/2

（3） 相对论力学方程

在经典物理中牛顿定律常把它写成 ，现代物理证明这只在低速情况下近似成立，普遍的形式是 。实际上这是力的定义式。力是物体整体运动状态变化的原因，用P来表示状态参量要比用V周全，因为V仅仅表示了物体相对运动因素，而P=mv表示了物体整体作相对运动时运动的完整数量。

广义相对论

尽管相对论与电磁理论的有关定律结合得非常完美，但它与牛顿的重力定律不相容。牛顿的重力理论表明，如果你改变空间的物质分布，整个宇宙中重力场的改变是同时发生的，这不但意味着你可以发送比光速传播更快的信号（这是为相对论所不容的），而且需要绝对或普适的时间概念，这又是为相对论所抛弃的。1911年，爱因斯坦深入思考这个问题。爱因斯坦意识到加速与重力场的密切关系，在密封厢中的人，无法区分他自己对地板的压力是由于他处在地球的重力场中的结果，还是由于在无引力空间中他被火箭加速所造成的。于是他提出了引力与加速度等效原理。并用黎曼几何处理弯曲四维空间，创立了广义相对论。

1915年爱因斯坦把狭义相对论原理推广到更一般的情况，即非惯性系中，建立了广义相对论。

1.等效原理——非惯性系与一个引力场等效。

所有的实验结果都得出同一结论：惯性质量等于引力质量。

牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反，引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设。

爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释。他认为：如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速，那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它（该惯性系）是静止的。日常经验验证了这一等同性：两个物体（一轻一重）会以相同的速度“下落”。然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会“落”得更快呢？因为它对加速度的抵抗更强。结果是，引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。引力场中所有的物体“以同一速度下落”是（经典力学中）惯性质量和引力质量等同的结果。

2.广义相对论原理——自然法则（物理学基本规律）在所有的系中都是相同的。

这是爱因斯坦的第四假设，是其第一假设的推广。不可否认，宣称所有系中的自然规律都是相同的比称只有在伽利略系中自然规律相同听起来更“自然”。

3.广义相对论的描述

1912年爱因斯坦意识到如果真实几何中引入一些调整，重力与加速的等价关系就可以成立。爱因斯坦想象，如果三维空间加上第四维的时间所形成的空间－时间实体是弯曲的，那结果是怎样的呢？他的思想是，质量和能量将会造成时空的弯曲，这在某些方面或许已经被证明。像行星和苹果，物体将趋向直线运动，但是，他们的径迹看起来会被重力场弯曲，因为时空被重力场弯曲了。
1913年在他的朋友马歇尔·格卢斯曼的帮助下，爱因斯坦学习弯曲空间及表面的理论，即黎曼几何。这些抽象的理论，在玻恩哈德·黎曼将它们发展起来时，从未想到与真实世界会有联系。我们所认识的重力，只是时空是弯曲的事实的一种表述。

广义相对论提出了三个可检验的预言。第一个是水星的近日点的摄动，该现象指出，轨道上运动的行星在绕太阳运行时，每完成一个周期并非精确返回到空间的原来位置，而是稍稍有些前移。这一事实早在19世纪中叶就已发现，但经典的牛顿天体力学无法对摄动现象做出满意的解释。第二个预言是，光线在引力场中将发生偏转。按照这个说法，星光在经过太阳附近时，将受到太阳引力的影响而偏折。结果是恒星的机位会有一个变化。观测这一现象只有发生日全蚀时才能进行，否则太阳的强烈光线使地面上根本观测不到太阳附近的恒星光线（瑞士天文学家M．施瓦兹柴尔德对这个现象做了详细的定量描述）。第三个预言通常被称为谱线“红移”，即恒星辐射总是背离我们而去。

第一次世界大战刚一结束，英国天文学家爱丁顿立即在1919年组织了英国日蚀观测队，去检测星光经过日全蚀太阳时将发生偏转的预言。两支观测队分别出发，一个派往巴西的索布拉尔，另一个由爱丁顿率领来到西班牙所属圭那亚海岸附近的普林西比岛。观测结果与预言相符，立即震撼了全世界的科学家和公众。