Page 10 - 物质的绝对运动——相对论和量子力学的物理起源


x  x  Vt

y  y （1.2）

z  z

t  t
表明伽利略变换是洛仑兹变换在低速情况下的近似。
其次，相对论的一些重要结论如长度收缩、时间膨胀、质速关系、质能关系等表明，空
间、时间和物质运动是密不可分的，运动物体的质量、能量以及运动的时钟和量尺等随运动
速度的变化而改变。空间和物质运动的关系表现为长度收缩效应，即量度物体长度时，将测
到运动物体在其运动方向上的长度 L 要比静止时的长度 L0 缩短

V 2
L  L 1 （1.3）
0
c 2
时间和物质运动的关系表现为时间膨胀效应，即量度时间进程时，将看到运动的时钟 t 要比
静止的时钟 t0 行进的要慢，即
t
t  0 2 （1.4）
1 V
c 2

相对论质速关系表明，物体质量 m 随物体运动速度 的增大而变大

m
m  0 2 （1.5）
1 
c 2

m0 为物体静止时的质量。而物体的质量 m 与能量 E 满足质能关系式

E  mc 2 （1.6）

上述结论与目前所有实验事实相符合，但只有在运动速度接近光速时，这些相对论效应才显
著。在一般情况下，相对论效应极其微小，因此，牛顿力学可以认为是相对论力学在低速情
况下的近似。
第三，在狭义相对论中，空间和时间不是相互独立的，而是相互联系的。三维空间（x，
y，z）和一维时间（t）构成统一的四维时空（x，y，z，ct），称为闵可夫斯基(Minkowski)
空间或闵可夫斯基世界。空间和时间作为四维时空的不同侧面，均与惯性参考系的选择有关，
只有统一的四维时空，才具有与惯性参考系的选择无关的绝对意义。在闵可夫斯基空间，对
于任意事件 P（x，y，z，t）有一个与参考系无关的不变量，即
2
2
2
2
s  c 2 t  x  y  z 2 （1.7）
s 称为时空间隔或间隔，它在洛伦兹变换下保持不变。事实上，从四维时空间隔不变性出发，
就可以得到相对论的全部结果。
爱因斯坦在创立了狭义相对论之后，又经过了 10 年的努力，最后创立了广义相对论。
他把相对性原理从惯性系推广到非惯性系，提出了广义相对性原理，即物理规律在任何参考
系中都具有相同的数学形式。同时他还提出了等效原理，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。根据这两个原理，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）所致，由此建立起引力场方

6