相对论的基本原理

狭义相对论的基本原理

一、在任何惯性参考系中，自然规律都相同，称为相对性原理。

二、在任何惯性系中，真空光速c都相同，即光速不变原理。

其中第一条就是相对性原理，第二条是光速不变性。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。由此得出时间和空间各量从一个惯性系变换到另一惯性系时，应该满足洛伦兹变换，而不是满足伽利略变换。并由此推出许多重要结论，例如：

1、两事件发生的先后或是否“同时”，在不同参照系看来是不同的（但因果律仍然成立）。

2、量度物体的长度时，将测到运动物体在其运动方向上的长度要比静止时缩短。与此相似，量度时间进程时，将看到运动的时钟要比静止的时钟进行得慢。

3、物体质量m随速度v的增加而增大。

4、任何物体的速度不能超过光速。

5、物体的质量m与能量E之间满足质能关系式E=mc2。

以上结论与目前的实验事实符合，但只有在高速运动时，效应才显著。在通常的情况下，相对论效应极其微小，因此经典力学可认为是相对论力学在低速情况下的近似。

广义相对论基本原理

1、广义相对论原理，即自然定律在任何参考系中都可以表示为相同数学形式。

2、等价原理，即在一个小体积范围内的万有引力和某一加速系统中的惯性力相互等效。

按照上述原理，万有引力的产生是由于物质的存在和一定的分布状况使时间空间性质变得不均匀（所谓时空弯曲）；并由此建立了引力场理论；而狭义相对论则是广义相对论在引力场很弱时的特殊情况。

早在17世纪，伽利略就发现了相对性原理。比如，在一个匀速行驶的火车上向上抛出一个小球，小球将垂直落地，与在地面上向空中抛出一个小球的情况一样，也就是说在没有受到外力作用的惯性系中，所有的力学定律都相同。

相对论（Relativity）的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论和广义相对论的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年（爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作，在1916年初正式发表相关论文）。

相对论是一个关于时空（狭义）和引力（广义）的理论，其主要观点是否定建立在牛顿经典力学基础上的绝对时空观。

以牛顿、伽利略为代表的一系列经典物理的缔造者认为：时间和空间就好比容器，物体在这个容器内运动并不能改变时间空间的性质。

但理论发展到一定阶段，发现以上观点在高速领域并不成立。爱因斯坦认为，物体的运动与时空会相互作用，导致时空的伸缩，从而会有一系列有趣的结论。

狭义相对论有两个基本原理（假设）：相对性原理和光速不变原理，狭义相对论所有的公式和现象都可以由这两个原理推出。其主要的结论有：不同参考系之间坐标变换的洛伦兹变换、物体运动与时空相互作用的尺缩效应和钟慢效应、定义了相对论中主要的不变量时空间隔、物体运动与其质量能量关系的运动质量公式和质能方程。在这些理论的基础上，结合闵可夫斯基空间的定义，将经典的电磁理论、力学公式等修改为相对论协变形式。

广义相对论建立在狭义相对论的基础之上，修改了其第一条原理，将其扩展为广义相对性原理，完全抛弃了惯性系的概念。另外再提出第三条原理：强等价原理。其主要结论是惯性质量与引力质量等价，非惯性系与引力场局部等价。爱因斯坦最伟大的创举是将引力描述为时空的扭曲，彻底将物理问题变为几何问题。广相的数学基础是微分几何和张量理论，其核心成果是爱因斯坦引力场方程。解场方程成为了研究宇宙的关键，二十世纪后半叶很多人通过解场方程，以求得到宇宙的演化，黑洞的形成和性质等一系列问题。

相对论在宏观高速领域的应用非常成功，其很多预言的现象都得到了证实。目前，狭义相对论已经融入了较微观的领域，与量子场论等等一系列理论一起组成了标准模型。另外广义相对论仍然是当代描述引力最成功的理论。标准模型与广义相对论一起成为了当代物理两大理论基础。但它们在很多地方有冲突，为此，当代的理论物理学家正致力于统一这两大理论，构建M理论，或者叫做上帝理论、大统一理论、万物理论等等，爱因斯坦、霍金等人穷其一生未得到满意答案。

最后再强调一点：相对论是一个关于时空与引力的理论。

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