物理学及人类文明选修课

-z.物理学与人类文明论文——浅析相对论与现代时空观学生：云艺所在学院：管理学院专业年级：工商管理111班学生**：1111010141指导教师:唐延林教师2013年12月13日摘要物理学是一门探究一切物质的组成及运动规律提醒它们之间的联系和各种运动之间的关系的广博而丰富的学问。作为自然科学的一门重要根底科学，物理学历来是人类物质文明开展的根底和动力。物理学史上最具影响力的理论——相对论，是一个关于时空和引力的根本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)创立，相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，共同奠定了现代物理学的根底。在本文中，笔者将从狭义相对论、广义相对论的相关原理和现代时空观以及他们在当今社会中的巨大影响方面，来论述“相对论与现代时空观〞，笔者初次题写物理学类文章，多有缺乏之处，望广阔读者朋友们海涵。关键字：相对性原理光速不变原理等效原理四维时空的不变论狭义相对论广义相对论现代时空观洛伦兹变换目录一、前言....................................................................1二、相对论的概念............................................................1三、狭义的相对论............................................................31、狭义相对论概念.......................................................32、狭义相对论的提出背景.................................................33、狭义相对论的根本原理.................................................44、狭义相对论的主要结论.................................................55、四维时空中的不变量...................................................66、质能关系、质能转化...................................................6四、新引力理论——广义相对论................................................71、广义相对论概念.......................................................72、广义相对论的根本原理.................................................83、广义相对论的主要结论及一些预言.......................................94、相对论的时光观.......................................................9五、相对论对当今社会的影响.................................................10六、论文小结...............................................................11附：参考文献...............................................................13-z.前言时光飞逝，转眼之间又过了半个学期，这半年来，在唐教师兢兢业业的教学下，我们完成了物理学与人类文明课程的学习，临近期末，是课程完毕的时候，也是我们的知识用到实处的开场阶段。还记得教师讲授物理学与人类文明第四章的容——相对论与现代时空观。由于个人的原因，对爱因斯坦有着莫名的崇拜，同时也对他老人家的相对论非常感兴趣，以至于本人对这一堂课印象非常深刻。本来就有想写点东西的想法，再加之教师交给我们完成课程论文撰写的任务，同时我们也务须对本次课程的学习总结反思一番，鉴此，笔者作如下小论一篇------浅析相对论与现代时空观。物理学是一门探究一切物质的组成及运动规律提醒它们之间的联系和各种运动之间的关系的广博而丰富的学问。作为自然科学的一门重要根底科学，物理学历来是人类物质文明开展的根底和动力。同时作为人类追求真理、探索未知世界奥秘的有力工具，物理学又是一种哲学观和方法论。在人类文明漫长的岁月中，这种古老而又生机勃勃的学科为我们造就了一个又一个光芒的里程碑。物理学对科学技术和生产力的开展起着最直接地推动作用，几次工业革命便是最好的验证。其都是由于物理学深刻地提醒了自然规律，构成了认识自然、改造自然的巨大力量，为科技开展提供了方法和技能。近一个世纪以来，物理学又有了崭新的进展，带来相应的新技术革命。二、相对论的概念相对论是关于时空和引力的根本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)创立，依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化，共同奠定了现代物理学的根底。相对论极改变了人类对宇宙和自然的“常识性〞观念，提出了“同时的相对性〞、“四维时空〞、“弯曲时空〞等全新的概念。狭义相对论和广义相对论建立以来，已经过去了很长时间，它经受住了实践和历史的考验，是人们普遍成认的真理。相对论对于现代物理学的开展和现代人类思想的开展都有巨大的影响。相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的根底上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的根底上，通过等效原理，建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的根本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。三、狭义相对论狭义相对论的概念狭义相对论，是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间——绝对空间，时间是独立于空间的单独一维〔因而也是绝对的〕，即绝对时空观。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系〞的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为根本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换。狭义相对论的提出背景在19世纪末，人们知道光速是有限的，在测量光速时发现，木星卫星发出的光，到达地球的时间是一样的，而不管地球是朝向卫星运动还是背向卫星运动。这不符合物体运动的速度叠加原理〔A参照系相对于B参照系速度为v1,A上发出相对A速度为V2的物体，物体相对于B速度为V1+V2〕，而符合波的性质，因为当时的所有波都有介质，因此人们假设光也有介质，定名为“以太〞，光在以太中稳定传播，所以与地球的运动无关。

由于地球并非宇宙中的特殊天体，以太应该对地球有相对运动，而著名的迈克耳〔A.A.Michelson〕和莫雷〔E.W.Morley〕实验证明了相对地球运动的以太不存在，也就是说，如果存在以太，以太就是对地球静止的，这里和一些人认为的证明了以太不存在，表达上有一点点区别。1905年，爱因斯坦提出两条假设：

1。相对性原理：物理学在一切惯性参考系中都具有一样的数学表达形式，也就是说，所有惯性系对于描述物理现象都是等价的。〔够绝对的〕

2。光速不变原理：在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参考系中，所测得的光在真空中的传播速度都是相等的。1964年到1966年，欧洲核子中心〔CERN〕在质子同步加速器中作了有关光速的精细实验测量，直接验证了光速不变原理。实验结果是，在同步加速器中产生的一种介子〔写法是派的0次方〕以0.99975c的高速飞行，它在飞行中发生衰变，辐射出能量为6000000000eV的光子，测得光子的实验室速度仍是c。狭义相对论的根本原理相对性原理——所有的物理规律在不同的惯性参照系中均一样。光速不变原理——光在真空中的传播速度，在所有惯性参照系中均一样。狭义相对论的主要结论同时的相对性在车厢上同时发生的两件事，在地面上看来并不同时发生。同时性具有相对性。〔2〕时间延缓长度缩短说明空间也是相对的，在不同参照系有不同的空间构造。在一个参照系看物体是一个正方体，在另一个参照系可能是长方体；在一个参照系是球形，在另一个参照系却是扁球形的。说明物体的形状是相对的。四维时空中的不变量狭义相对论中，距离和时间在不同的参照系是不同的。然而是四维时空中的不变量。说明时间和空间不是独立的，相互间存在联系！质能关系、质能转化质能关系在化学反响中，例如氢与氧结合生成水，水的质量等于参加反响的氢和氧的质量之和。在反响中放出的热量，被认为是氢和氧原子中储存的化学能，在整个反响过程中，能量和质量分别守恒。爱因斯坦要使物体运动定律既满足光速不变和相对性原理，又要求低速下与牛顿定律一致，得到了一个令人意外的结果：物质可以转化为运动能量，能量也可转化为物质。物质与能量相互等价质量包括静止质量和运动质量静止质量可以转化为运动质量：如正负粒子相互湮灭成光子，而光子只有运动质量没有静止质量.反之亦然。质能转化氢与氧结合生成水时放出的热量来源于氢与氧的质量和与水的质量之差〔也称质量亏损〕。化学反响的质量亏损比例约为一千亿分之一到十亿分之一。核反响的比例约为一万分之一到一千分之一。50克物质全部转化为能量，可将西湖中的所有水加热到沸腾。新的引力论——广义相对论1、广义相对论的概念广义相对论是爱因斯坦在1915年发表的理论。爱因斯坦提出“等效原理〞，即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上(目前实验证实,在10−12的准确度围,仍没有看到引力质量与惯性质量的差异)。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身故有性质无关，只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中，物体仍然顺着最短距离进展运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动，实际是绕着太阳转，造成引力作用效应。正如在弯曲的地球外表上，如果以直线运动，实际是绕着地球表。广义相对论的根本原理广义协变原理自然规律对于任何参照系而言都应具有一样的数学形式。等效原理匀加速参照系可与均匀引力场中静止的参照系等效。比萨斜塔实验m引＝m惯广义相对论的主要结论及一些预言结论引力大的地方时间过得慢；引力导致空间弯曲。预言恒星光的引力偏转；雷达回波延迟；水星近日点的进动。相对论的时光观牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的，相互独立的；根据相对论,时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间是不同的，物体的形状，质量等都是不同的；“横看成岭侧成峰，远近上下各不同。〞〔轼?题西林壁?〕时间和空间是相互关联的。一个参照系中的所有钟都校准了，即相互同步的，在另一参照系看这些不同地点的钟都不同步了。四维时空中的“不变论〞相对论〔relativity〕不同于“公说公有理，婆说婆有理。〞没有是非标准的相对主义〔relativism〕的理论。寻求不同参照系中各观测量之间的联系，重点是不同参照系中的共性，即所谓的“不变性〞真空中的光速在不同参照系中是不变的，物理规律的数学形式在不同参照系中是一样的。时空会影响物质的“在的特性〞！物质也会反过来改变时空!时间与空间不仅是相对的、相互关联的，而且与物质存在有关，与观察者的运动状态有关相对论对当今社会的影响从爱因斯坦的相对论出现后,大家都知道时间也是相对的,是和质子裂变的速度的比拟.这个事情推论到人的身体要素上也是成立的.当人体机能所进展的分子裂变超过正常的时候,也就是新代大量造物的时候,即新造的多而代的少的时候,则这个人的体质子裂变将明显超过时间相对的质子裂变的速度,因此在这个人的心的心理时间就会比外界的正常时间长.比方小孩子,由于他们的新代旺盛,因此他们的心就我们正常人的时间感觉长,因此他们表现的好动.不过这个心理时间可以通过人的意念,欲望所控制,因此有些小孩子在很小的时候就表现的比拟安静,比拟镇定,那是他们从心理上把肌体质子裂变的比例因子用意念给缩短了.如果这种意念能够长久的保持和利用,这样的孩子在成人以后多能表现的临危不乱,很容易成大事.而且这个肌体质子裂变的,在特定情况下,可以受到临时或者外部环境的影响,比方人在焦虑,忧愁,烦恼,悲伤的时候,此时人的体的质子裂变剧烈,质子的剧烈裂变导致剧烈的心理暗示.这个心理暗示是在加速质子裂变的情况下产生的影响,因此此时的心理暗示比正常情况下普通的心理暗示强烈的多,因此人们在危难,忧愁,烦恼前的心理暗示往往是极其剧烈的,剧烈的可以摧毁一个人的精神支柱,理念信仰.相反的,如果人类利用这个心理暗示加速自己的战斗决心和意志力,这将无形的增大这个人的意志力.就象说"爱情的力量是伟大的",其实不是爱情有力量,而应该是质子裂变下心理暗示所造成的能量的累计.因此21世纪更伟大的生命科学将从浅层次的人类心理意识行演变成引导这种心理意识革命的更伟大的战斗中去.到那时,人类的很多极限将需要重新谱写.总结我们的物理学有许多的哲理性的解释、原理和概念，它都可以被借鉴推广到人类社会各个领域，实现多领域的创新，使我们社会、个人安康开展过程中积累智慧，不断合理前进。当前不管是社会、民族、科技都朝着和谐统一的方向开展。爱因斯坦、莱布尼茨、波尔、费曼、振宁等世界物理学大师都很欣赏中国古代的系统而有机的思维，并试图用系统的思维方式寻找自然界中各种矛盾理论的大统一理论。爱因斯坦为这一方向做出了前期的奉献。狭义、广义相对论正是统一各前期各学科理论矛盾后得出的伟大物理理论。他还历史性地提出“爱因斯坦质能方程〞。事实上这种表现方式在中国的古代就已经有了，并且早已成功地运用到中医学中。在中医学中，爱因斯坦的“质〞被解释为“血〞，“能〞则被解释成“气〞。质能的辩证统一，早在两千多年前的古代中国就已经以“气血〞的辩证理论，为世世代代中国人的安康问题而效劳。

我们在学习各领域学科时，应该不忘记与自然、历史、思想、文化、人类社会和积极的处世哲学相联系。在学习自己的学科时，真正成为一个全面开展的人。综合以上论述，物理学自其诞生便作为一门能够不断改写和更新人类文明的学问而存在并不断丰富开展着；它对人类社会进步的奉献是每一位科学家有目共睹的。物理学不仅满足了人们探索未知世界的好奇心与求知欲，同时在其理论开展过程中对工业科技进步及其它自然科学开展潜移默化地起着举足轻重的作用。物理学的开展，不仅为人类物质生产开拓了