相对论

内容简介

这本书由狭义相对论、广义相对论、探索整个宇宙三部分构成。狭义相对论的两个基本条件是：一、光速恒定原理；二、定律（尤其是光速不变定律）和所选择的惯性系（狭义相对性原理）没有关系。只有符合这两个条件，所讨论的内容才是有意义的；广义相对论是在狭义相对论的基础上发展起来的，它的假设是定律的不变性和四维连续区中的坐标的非线性变换有着一定的联系，在这个前提下讨论各种情况。在了解了狭义相对论和广义相对论之后，将研究范畴扩展到整个宇宙空间中，并认为宇宙是有限且无界的。

目录

第一章狭义相对论
1.1几何命题在物理学中的意义
1.2坐标系
1.3经典力学中的空间和时间
1.4伽利略坐标
1.5相对性原理（狭义）
1.6经典力学中的速度相加定理
1.7光的传播定律和相对性原理的表面抵触
1.8物理学中的时间观
1.9相对性的同时性
1.10距离的相对性
1.11洛伦兹变换
1.12量杆和时钟在运动状态的行为
1.13速度相加法则--斐索实验
1.14评估相对论的启发作用
1.15一般相对论的普通结果
1.16经验和狭义相对论
1.17闵可夫斯基的四维空间
第二章广义相对论
2.1狭义相对性原理和广义相对性原理
2.2重力场
2.3广义相对性公设的论据--惯性质量等于引力质量
2.4经典力学和狭义相对论的基础中无法令人满意的方面
2.5由广义相对性原理得出的几个推论
2.6旋转参考物上的时钟和量杆的行为
2.7欧几里得连续区和非欧几里得连续区
2.8高斯坐标
2.9狭义相对论中的空间-时间连续区可以看作欧几里得连续区
2.10广义相对论中的空间-时间连续区不是欧几里得连续区
2.11广义相对性原理的表述
2.12在广义相对性原理的基础上解决地心引力问题
第三章对整个宇宙的考察
3.1牛顿理论在宇宙论中遇到的困难
3.2"有限"而"极大"的宇宙的可能
3.3广义相对论基础上的空间结构
3.4对"广义相对论基础上的空间结构"的补充说明
附录
广义相对论的实验证实
相对论和空间问题
科学和宗教
什么是相对论
理论物理学的基础
科学和文明

摘要与插图

第二章 广义相对论
　　1907年，爱因斯坦再次提出广义相对论的基本原理，经过深入研究和补充之后，1915年正式创建了广义相对论，第二年发表了具有总结性的文章《广义相对论基础》。广义相对论主要描述的是引力理论，它的创建基础是狭义相对论，在这个基础上证明了时空结构和物质分布之间的关系，指明物质的存在和分布状况决定了万有引力，而时间和空间的性质不均匀性引发了万有引力。还提出空间“弯曲”学说，指明时空的几何性质是由非欧几里得几何学的分布决定的。
　　2.1 狭义相对性原理和广义相对性原理
　　狭义相对性原理是我们的研究中心，它指出所有的匀速运动都体现了物理相对性，让我们再次对它的意义进行深入研究。有一点明确，根据狭义相对性原理可以得知，任何运动都不是的，而是相对的。我们再看一下前面说过的路基和车厢的例子，可以这样来描述发生的运动：
　　（a）对于路基来说，车厢是运动的。
　　（b）对于车厢来说，路基是运动的。
　　在（a）中，我们选择的参考物是路基；而在（b）中，选择的参考物是车厢，这就是我们对运动的描述。如果只是为了描述运动，那么，选择什么样的参考物在原则上并不是重要。在前面，我们就说过这一点，但这不是我们的研究重点，更不能和广泛的“相对性原理”混淆在一起。
　　如果我们描述任意事件时既可以选择车厢作为参考物又可以选择路基作为参考物，那么，定律告诉我们，当我们用简单的语言描述自然定律时为：
　　（a）选择路基当作参考物。
　　（b）选择车厢当作参考物。
　　在上面两种情况的描述中，普遍的自然界定律（如力学定律、光在真空中的传播定律）的形式一样。这一点可以简单地表达为：通过物理方法对自然过程进行描述时，参考物 和 的含义是相同的，没有哪一个是的（规划）。这不同于第一个陈述，推论并不一定能够保证后一个陈述是正确的，“运动”概念和“参考物”概念无法推导出这个陈述，只有经验事实才能证明这个陈述是否正确。
　　一直以来，我们都在否认所有的参考物 都可以用简洁的语言去描述自然界定律。我们的想法来自于一个假定：对于伽利略定律来说，一个参考物 所具有的运动状态都可以成立，即当一个质点到其他质点的距离足够远时，这个质点做匀速直线运动。 （伽利略参考物体）能够描述的自然界定律是简单的。除了 之外，可以用参考物 描述的自然界定律应该也是很简单的。对于 来说，如果某些参考物进行的是匀速直线非旋转运动，那么，在描述自然界定律方面这些参考物和 是等效的。不过，我们选择的参考物一定要是伽利略参考物，只有这些参考物才会符合我们的假定相对性原理，其他的参考物（如具有不同性质的参考物）则不符合。因此，我们把它称为特殊相对性原理或者狭义相对论。
　　与此对应，我们可以这样来描述广义相对性原理：对于所有的参考物来说，无论它的运动状态如何，但在描述自然界定律上都是等效的。需要注意的是，在我们深入讨论之前要用一个抽象的表达式去替代这个论述，以后我们会具体解释其中的原因。
　　狭义相对性原理的合理性已经被证实，所有想要研究普遍化结果的人都会向着广义相对性原理的道路前进。目前，这种努力成功的机会微乎其微。我们还是去考虑匀速行驶的火车问题，坐在车厢中的乘客不会感觉到车厢在运动。由于这个原因，车厢中的乘客可以说：“车厢处于静止状态，而铁路路基在运动。”根据狭义相对性原理可知，这种解释符合物理学观点。
　　如果车厢的运动不再是匀速的，而是非匀速的，如突然拉动刹车，此时车厢中的乘客会出现身体向前倾的运动，这中减速运动是车