教學(xué)論文：狹義相對論和廣義相對論的歷史背景

教學(xué)論文：狹義相對論和廣義相對論的歷史背景

一.狹義相對論的歷史背景及重要實驗基礎(chǔ)
19世紀(jì)末期物理學(xué)家湯姆遜在一次國際會議上講到“物理學(xué)大廈已經(jīng)建成，以后的工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷”。但是，他話鋒一轉(zhuǎn)又說：“大廈上空還漂浮著兩朵‘烏云’，麥克爾遜－莫雷試驗結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難�！闭菫榱私鉀Q上述兩問題，物理學(xué)發(fā)生了一場深刻的革命導(dǎo)致了相對論和量子力學(xué)的誕生。狹義相對論的兩條基本原理
以上這一段話提出了狹義相對論的兩條基本原理：
相對性原理：一切物理定律在所有慣性系中是等價的；
光速不變性原理：光在真空中的傳播速度為一常數(shù)c，與光源和觀測者的運動狀態(tài)無關(guān)。
拋棄了被認(rèn)為是充滿空間的以太和絕對的時空觀。
洛倫茲變換
設(shè)慣性系K相對慣
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工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷”。但是，他話鋒一轉(zhuǎn)又說：“大廈上空還漂浮著兩朵‘烏云’，麥克爾遜－莫雷試驗結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難�！闭菫榱私鉀Q上述兩問題，物理學(xué)發(fā)生了一場深刻的革命導(dǎo)致了相對論和量子力學(xué)的誕生。
　　早在電動力學(xué)麥克斯韋方程建立之日，人們就發(fā)現(xiàn)它沒有涉及參照系問題。人們利用經(jīng)典力學(xué)的時空理論討論電動學(xué)方程，發(fā)現(xiàn)在伽利略變換下麥克斯韋方程及其導(dǎo)出的方程（如亥姆霍茲，達(dá)朗貝爾等方程）在不同慣性系下形式不同，這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)怎樣解釋？經(jīng)過幾十年的探索，在1905年終于由愛因斯坦創(chuàng)建了狹義相對論。
　　相對論是一個時空理論，要理解狹義相對論時空理論先要了解經(jīng)典時空理論的內(nèi)容。
狹義相對論研究慣性系問題，要求物理定律在洛倫茲變化下保持形式不變。經(jīng)典電磁理論可以直接納入狹義相對論框架，而經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過修改后在洛倫茲變換下大部分可以保持形式不變。在面對非慣性系問題與萬有引力定律時,狹義相對論遇到了巨大的挑戰(zhàn)，意味著狹義相對論必須修改。1905年愛因斯坦就曾發(fā)表過一篇重力和加速度對光線產(chǎn)生影響的論文，蘊含了廣義相對論雛形。以后的研究中，愛因斯坦果斷取消了慣性系在理論中的特殊地位。1912年，他又在另一篇論文中探討了將重力場用幾何的語言來描述。終于，在1915年愛因斯坦發(fā)表了場方程式，1916年建立了完整的廣義相對論。
廣義相對論把相對性原理推廣到非慣性參照系和彎曲空間，建立了新的引力理論。在深入研究了慣性力后，愛因斯坦提出了等效原理，把參考系問題和引力問題一同解決。廣義相對論認(rèn)為引力場影響時間和距離的測量。基于光速不變原理，將引力解釋為四維時空曲率。并指出：非慣性系中時空是不均勻的。同一非慣性系中，沒有統(tǒng)一的時間，不能建立統(tǒng)一的同時性。廣義相對論讓人們知道了引力的復(fù)雜。廣義相對論取得巨大成就的同時，量子力學(xué)也取得了重大突破。物理學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)了兩大理論的不相容性。量子力學(xué)是否完備也引發(fā)了EPR學(xué)派與哥本哈根學(xué)派的論戰(zhàn)，一直到現(xiàn)在。如何解決量子力學(xué)與相對論的兼容問題，困擾了愛因斯坦后半生。廣義相對論和量子物理的定律統(tǒng)一，也是現(xiàn)代理論物理學(xué)家需要解決的至關(guān)重要的研究課題，建立一個完備自洽的量子引力理論還處于探索階段。
廣義相對論建立以后的半個世紀(jì)，并沒有受到充分重視。60年代，隨著中子星和3K宇宙背景輻射等天文現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，廣義相對論研究得以迅速發(fā)展。廣義相對論對于研究天體結(jié)構(gòu)和演化以及宇宙的結(jié)構(gòu)和演化具有重要意義。中子星的形成和結(jié)構(gòu)、黑洞物理和黑洞探測、引力輻射理論和引力波探測、大爆炸宇宙學(xué)、量子引力及大尺度時空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等問題的研究正在深入，廣義相對論已成為這些問題的理論基礎(chǔ)。廣義相對論所預(yù)言的空間幾何、_落體、引力場內(nèi)的時間膨脹、光的引力紅移和引力時間 ……（未完，全文共2332字，當(dāng)前僅顯示1482字，請閱讀下面提示信息。收藏《教學(xué)論文：狹義相對論和廣義相對論的歷史背景》）