比较经典时空观与现代时空观的区别

比较经典时空观与现代时空观的区别,. 一,:纵观人类文明,时空观大致经历了三个时期: 1 时空观的变革历程古老"天圆地方"的平直时空观; 2 以"经典力学"为理论基础的绝对时空观; 3 以"光速不变"为理论基础上的相对论时空观; 其中,目前人们公认的在科学史上比较有影响的是牛顿的绝对时空观(即经典时 空观)和爱因斯坦的相对论时空观(即现代时空观) .下面首先在经典时空 观向现代时空观的变革中比较二者的区别

经典时空观: 李白诗句有云:天地者万物之逆旅,光阴者百代之过客.他便把时间与空间 看作是两个互不关联的概念.在李白之前和之后,许多人也持和他一样的观点— —绝对时空观.在中国,后期墨家提出了"宇","久"作为空间,时间概念, 并认识到空间,时间与具体实物运动的一定联系及空间与时间的一定联系.在西 方,古希腊德谟克利特认为空间是物质运动的条件,亚里士多德用"地点"概念 来表示空间, 认为时间是连续的. 近代时空观是在自然科学发展的基础上形成的, 哥白尼的日心说指出地球的运动不会破坏地球上的自然秩序, 这一见解是揭示空 间均匀性的重大的步骤.由于地球是运动的,地面上物体的运动并不是指向宇宙 中某一不动的地点,而是指向地球.这样相对运动的观点便呈现出来. 伽利略 对哥白尼体系作了科学的论证,它认为,因为物体运动的相对性,所以描述物体 运动是必须选定一个对比物,物理学称为参考物,并提出了"力学相对性原理", 指出力学规律在所有的惯性系中都相同, 并且给出了两个惯性系之间的时空坐标 的变换关系.牛顿总结了前人的成就,建立了牛顿力学的理论体系.这个理论体系集中的反映了牛顿的时空观,牛顿的时空观的主要观点是: 1 承认时间,空间客观存在; 2 时间和空间与物质及其运动无关. 时间坐标系和空间坐标系是完全脱离 物质而独立存在的;时间间隔与空间间隔在不同的惯性系中保持不变;即时间,空 间观念与物质运动状态无关; 3 时间和空间彼此无关,各自独立存在. 自从十七世纪以来,牛顿力学不断发展并取得了巨大的成就,以牛顿力学为 基础建立了天体力学,应用力学等等,从地面上的各种物体的运动,各种现代化 交通工具及天体的运动,都服从牛顿力学的规律,这些充分的说明了牛顿力学规 律的正确性. 十九世纪末,以牛顿力学为基础的经典物理理论,在解释新实验事实时遇到 了困难. 现代时空观: 电磁理论的发展和十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后, 绝对时空观面临着严 峻的局面.按麦氏方程中存在的常数 c,表明电磁波或光在真空中沿各个方向均 以不变的速度 c 传播,这与伽利略相对性原理发生了矛盾.因为据绝对时空观的 经典速度合成定理,在不同惯性系中,光的传播速度不应在各个方向均相同.似 乎只有在某一特殊参考系中,麦氏方程才取标准形式,光才在各个方向上均以 c 传播.人们曾引入"以太"假设,认为"以太"充满宇宙空间并绝对静止,光是"以太" 介质中的波动.相应于"以太"的惯性系就是那个特殊参考系.这样,"以太"就充 当了"绝对空间"的角色.通过测定物体相对于"以太"的"绝对运动"所引起的"以太 风"就可期望找到"以太".然而,尽管人们赋予"以太"各种各样光怪陆离的性质, 仍难自圆其说.且反复实验的结果都是否定的,根本发现不了"以太风".相反却 证明了在任何惯性系中光速都是不变的.1887 年的迈克尔孙——莫雷实验可看 作否定"以太"的判决性实验,这使得牛顿绝对时空观遇到了根本性的困难. 1905 年,爱因斯坦创立狭义相对论.提出了两条基本假设: 1)相对性原理:物理规律在所有的惯性系中都可以表示为相同的形式. 2)光速不变原理:真空中的光速相对于任何惯性系沿任一方向恒为 c, 并与光 源运动无关. 这两条原理构成狭义相对论的基础,且从本质上改变了牛顿绝对时空观.既 然按相对性原理, 一切物理规律在任何惯性系中都相同, 一切惯性系都是平权的, 没有哪个惯性系更优越,这就使绝对空间的概念失去了意义.绝对时空观实际上 包含着这样一个假定:存在信号传播的无限大速度,物质的相互作用是一种"瞬 时超距作用".所以存在"绝对时间".爱因斯坦摒弃了"以太"观点,取消了无限大 速度的溉念,认为真空中的光速 c 是信号传播的极限速度,这就动摇了绝对时间 的基础,从而接触到了时间和空间的相对性问题,揭示了空间和时间之间某种普 遍而新颖的联系,引起人类时空观的变革. 爱因斯坦狭义相对论时空观的基本思想可概括为: 1同时的相对性:根据狭义相对性原理,惯性系是完全等价的,因此,在同 一个惯

性系中,存在统一的时间,称为同时性,而相对论证明,在不同的惯性系 中,却没有统一的同时性,也就是两个事件(时空点)在一个关性系内同时,在另 一个惯性系内就可能不同时,这就是同时的相对性,在惯性系中,同一物理过程 的时间进程是完全相同的,如果用同一物理过程来度量时间,就可在整个惯性系 中得到统一的时间.在今后的广义相对论中可以知道,非惯性系中,时空是不均 匀的,也就是说,在同一非惯性系中,没有统一的时间,因此不能建立统一的同 时性. 2 钟慢效应:相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系,发现运动的惯 性系时间进度慢,这就是所谓的钟慢效应.可以通俗的理解为,运动的钟比静止 的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走的越慢,接近光速时,钟就几乎停止了. 3 尺缩效应:尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值 的差.由于"同时"的相对性,不同惯性系中测量的长度也不同.相对论证明,在 尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,这就是所谓的尺缩效应,当速度接 近光速时,尺子缩成一个点.. 二是引力使光线弯曲, 因为光在运动时有质量,所以也受到万有引力作用,因此光线在地球或太阳附近 发生了弯曲,这可以通过日全食时对隐藏在太阳后面星体的观测得到证明.黑洞 也是光线弯曲或受到引力作用的一个证明.三是引力使空间发生弯曲,质量大的 天体使光线弯曲,光在空间弯曲的部分也是直线行进,其结果就是在大质量的天 体附近空间发生了弯曲,或者说整个宇宙是一个卷曲的空间.四是引力使时间流 动变慢,引力越强,时间流动的越慢,在引力特别强的黑洞附近的天体,离它越 近,时间流动越慢.如果行进到黑洞视界,时间甚到会停止.与狭义相对论不同 的是,在引力强的地点,时间流动不是相对变慢,而是必然变慢,这一点在全球 定位系统的运行中,已经得到了证明,且科学家们如果不去修正由于引力变化引 起的时钟效益,卫星系统定位就不会在准确了. 总之,爱因斯坦狭义相对论的时空观可概括为: 1 两个时间在不同的惯性系看来,它们的空间关系是相对的,时间关系也是 相对的,时—空不互相独立,而是不可分割的整体,只有将空间和时间联系在一 起才有意义; 2 有物质才有空间和时间,空间和时间与物质运动状态有关;

相对论的主要内容

相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦(Albert Einstein)创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了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条件下的物体。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。相对论极大的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”“弯曲空间”等全新的概念 狭义相对论：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，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。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基本假设，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。

广义相对论是爱因斯坦发表的理论。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行运动(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。正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动，实际是绕着地球表面的大圆走

相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是光速不变原理，相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了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条件下的物体。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。相对论极大的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”“弯曲空间”等全新的概念。