从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对时空观

《从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对时空观》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在应用文档-天天文库。

1、从牛顿的绝对时空观到爱因斯坦的相对时空观自古以来，人们对时间和空间的研究活动从未停止过。人类对时空的认识，随着自然科学的发展，是不断变化的。人类的时空观念的演变，大体上经历了三个时期：几何学时代、动力学时代及相对论时代。1905年，爱因斯坦总结了前人的成就，分析了经典物理学的困难，以彻底创新的精神革新了旧有观念，他发表了题为《论动体的电动力学》一文，正式宣告了狭义相对论的诞生。相对论的建立使人们对物质、运动、时间、空间的观念发生了革命性的变化，由于这些基本概念的简历和思想的变革，又进一步导致了人类自然观和哲学思想的变化，并且为人

2、类文明开辟了新的前景。在本文中，我们对牛顿的绝对时空观和爱因斯坦的相对时空观进行比较、评论。一、时空观的比较1.牛顿的绝对时空观牛顿在《自然哲学的数学原理》一书中，对时间和空间给出了如下定义：“1.绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着，它又可以名之为‘延续性’；相对的、表现的和通常的时间是延续性的一种可感觉的、外部的（无论是精确的或是不相等的）通过运动来进行的量度，我们通常就用诸如小时、日、月、年等这种量度以代替真正的时间。2.绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物

3、无关而永远是相同的和不动的。相对空间是绝对空间的可动部分或者量度。”也就是说，时间在宇宙中均匀流逝着，而空间好像一个容器，两者之间没有联系，也不与物质运动发生关系。牛顿的绝对时空观在18世纪和19世纪居于统治地位，它的权威被打破已经是20世纪的事情了。2.爱因斯坦的相对时空观（1）狭义相对论的时空观爱因斯坦的狭义相对论是建立在两个基本假设基础之上的。一是相对性原理，即物体运动状态的改变与选择任何一个参照系无关：二是光速不变原理，即对任何一个参照系而言，光速都是相同的。在这两个基本假设中，爱因斯坦抛弃了经典物理学中的“以太”和绝对

4、的时空观。从这两个基本假设出发，爱因斯坦又推出以下主要结论：(1)长度收缩，即运动物体在运动方向上长度缩短；(2)时钟变慢，即运动着的时钟要变慢；(3)光速极限，即任何物体的运动速度都不可能超过光速；(4)同时性是相对的，即在一个惯性系中同时发生的事情，在另一个惯性系中测量便不是同时发生的；(5)如果物质运动速度比光速小得多，相对论力学就变为牛顿力学，因此相对论比牛顿力学具有更普遍的意义。空间和时间的相对性和统一性，是狭义相对论的核心思想。狭义相对论则从数学关系上精确地揭示了空间和时间在本质上的统一性，所谓孤立的空间和孤立的时间

5、在自然界是根本不存在的。后来，爱因斯坦这一新的时空观由他的大学数学老师闵可夫斯基(MinkowskiH，1864～1909)作了重大发展。他在通常的三个空间坐标以外，又引进了新的第四个坐标，用z。=ict表示(X，Y，z则用z，，z2和z3表示，i-~／一1，f为光速)。从此人们才弄清了，原来自然界的每一真实事件，都只能在四维时空连续区才能作出全面的描述。（2）广义相对论的时空观爱因斯坦对于1905提出的相对论并不满意，因为其中只涉及了相对做匀速运动的参照系，而没有考虑到加速运动，所以并不完备。这也是今天我们称它为“狭义”相对论

6、的原因。19l5年，爱因斯坦进而把相对性原理从匀速运动推广到加速运动，完成了广义相对论的完整表述。1916年写成总结性论文《广义相对论的基础》，宣告了广义相对论的诞生。广义相对论基础的两个基本原理：(1)广义相对性原理；(2)等效原理。广义相对论实际上是关于空间、时间与万有引力关系的理论，它指出空间一时间不可能脱离物质而独立存在，空间、时间随物质分布和运动速度的变化而变化，揭示了时空同物质的内在联系。广义相对论进一步指出，由于物质的存在，时间和空间会发生弯曲，万有引力实际上是时空弯曲的表现。二、遵循变换公式的比较1.伽利略变换牛

7、顿的绝对时空观是从低速力学现象抽象出来的，集中反映在关于惯性坐标系的伽利略变换中。设惯性系相对于以速度运动，并选和轴沿运动方向，伽利略变换式为此式反映的时空观的特征是时间与空间的分离。2.洛伦兹变换根据变换的线性和间隔不变性式，可以导出相对论时空观坐标变化关系。设惯性系相对于以速度运动，并选和轴沿运动方向，相对论时空变换公式：三、正确看待两种时空观的变迁广义相对论的诞生，革新了物理科学的基本概念框架。由于近代世界图景主要由物理科学提供，也可以说相对论革新了世界图景。世界图景不再只是“筐子装东西”式的“时空+物质”模式，而是物质运

8、动与时间空间成为一体。相对论在时空观方面的革命完全奠基于对希腊古典科学精神的再度弘扬。这种精神就是对世界普遍性的追求，对宇宙和谐的追求，对数学简单性的追求。在狭义相对论中，“光速不变原理”起到重要的作用，它的功能在于统一了电动力学与牛顿力学。在广义相对论中，“等