教学论文：狭义相对论和广义相对论的历史背景

教学论文：狭义相对论和广义相对论的历史背景

一.狭义相对论的历史背景及重要实验基础
19世纪末期物理学家汤姆逊在一次国际会议上讲到“物理学大厦已经建成，以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两朵‘乌云’，麦克尔逊－莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。”正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。狭义相对论的两条基本原理
以上这一段话提出了狭义相对论的两条基本原理：
相对性原理：一切物理定律在所有惯性系中是等价的；
光速不变性原理：光在真空中的传播速度为一常数c，与光源和观测者的运动状态无关。
抛弃了被认为是充满空间的以太和绝对的时空观。
洛伦兹变换
设惯性系K相对惯
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工作仅仅是内部的装修和粉刷”。但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两朵‘乌云’，麦克尔逊－莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。”正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。
　　早在电动力学麦克斯韦方程建立之日，人们就发现它没有涉及参照系问题。人们利用经典力学的时空理论讨论电动学方程，发现在伽利略变换下麦克斯韦方程及其导出的方程（如亥姆霍兹，达朗贝尔等方程）在不同惯性系下形式不同，这一现象应当怎样解释？经过几十年的探索，在1905年终于由爱因斯坦创建了狭义相对论。
　　相对论是一个时空理论，要理解狭义相对论时空理论先要了解经典时空理论的内容。
狭义相对论研究惯性系问题，要求物理定律在洛伦兹变化下保持形式不变。经典电磁理论可以直接纳入狭义相对论框架，而经典力学经过修改后在洛伦兹变换下大部分可以保持形式不变。在面对非惯性系问题与万有引力定律时,狭义相对论遇到了巨大的挑战，意味着狭义相对论必须修改。1905年爱因斯坦就曾发表过一篇重力和加速度对光线产生影响的论文，蕴含了广义相对论雏形。以后的研究中，爱因斯坦果断取消了惯性系在理论中的特殊地位。1912年，他又在另一篇论文中探讨了将重力场用几何的语言来描述。终于，在1915年爱因斯坦发表了场方程式，1916年建立了完整的广义相对论。
广义相对论把相对性原理推广到非惯性参照系和弯曲空间，建立了新的引力理论。在深入研究了惯性力后，爱因斯坦提出了等效原理，把参考系问题和引力问题一同解决。广义相对论认为引力场影响时间和距离的测量。基于光速不变原理，将引力解释为四维时空曲率。并指出：非惯性系中时空是不均匀的。同一非惯性系中，没有统一的时间，不能建立统一的同时性。广义相对论让人们知道了引力的复杂。广义相对论取得巨大成就的同时，量子力学也取得了重大突破。物理学家很快发现了两大理论的不相容性。量子力学是否完备也引发了EPR学派与哥本哈根学派的论战，一直到现在。如何解决量子力学与相对论的兼容问题，困扰了爱因斯坦后半生。广义相对论和量子物理的定律统一，也是现代理论物理学家需要解决的至关重要的研究课题，建立一个完备自洽的量子引力理论还处于探索阶段。
广义相对论建立以后的半个世纪，并没有受到充分重视。60年代，随着中子星和3K宇宙背景辐射等天文现象的发现，广义相对论研究得以迅速发展。广义相对论对于研究天体结构和演化以及宇宙的结构和演化具有重要意义。中子星的形成和结构、黑洞物理和黑洞探测、引力辐射理论和引力波探测、大爆炸宇宙学、量子引力及大尺度时空拓扑结构等问题的研究正在深入，广义相对论已成为这些问题的理论基础。广义相对论所预言的空间几何、_落体、引力场内的时间膨胀、光的引力红移和引力时间 ……（未完，全文共2332字，当前仅显示1482字，请阅读下面提示信息。收藏《教学论文：狭义相对论和广义相对论的历史背景》）