摘 要：相對論是現(xiàn)代物理學(xué)和當(dāng)代高科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)。它的建立是20世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對物理學(xué)、天文學(xué)乃至哲學(xué)思想都有深遠(yuǎn)影響。相對論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各有關(guān)分支又一次綜合的結(jié)果。相對論是關(guān)于時間和空間的學(xué)說，它的創(chuàng)立不是始于對牛頓絕對時空觀的批判，而是由于對運動媒質(zhì)中的電磁現(xiàn)象的研究引起的?！懊劫|(zhì)”在當(dāng)時稱為“以太”。它有各種模型，因此相對論的建立和“以太”是密切相關(guān)的，也是和在以太（靜止和運動）中光速的測定有密切的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：以太;狹義相對論;時間與空間;廣義相對論

一、神秘的以太

“以太”的提出，是為了解釋光在真空中以及高速的空間中都能傳播這一事實。當(dāng)時，認(rèn)為光必須有一個載體才能傳播，而這種載體當(dāng)光在真空中傳播時顯得更為重要。為了解釋真空不空，笛卡兒于17世紀(jì)第一個提出“以太”假說，并把“以太”描述為：以太是充滿整個空間的一種物質(zhì)，真空中沒有空氣，但卻有這種無所不入的“以太”。

18世紀(jì)，由于牛頓力學(xué)的建立，提出了超距作用的觀點，這觀點無需“以太”作為媒介，而認(rèn)為力是超距作用的，因此“以太”也隨之被遺棄。

至19世紀(jì)上半葉，當(dāng)光具有波動性被大多數(shù)物理學(xué)家承認(rèn)時，“以太”假說又獲得了新的支持。于是19世紀(jì)末的物理學(xué)界，牢固地確立了一種思想：認(rèn)為有一種到處存在的以太，作為傳播光的基礎(chǔ)，而且還把它當(dāng)作一種絕對靜止的參考系。于是出現(xiàn)了觀察相對于以太的運動的問題，物理學(xué)家為了尋找以太，做了許多實驗，例如：光行差實驗，斐索實驗，邁克爾遜-莫雷實驗等。

由這些實驗結(jié)果可以認(rèn)為，光在以太媒質(zhì)中傳播的以太學(xué)說不能圓滿解釋所有觀察到的有關(guān)實驗事實。特別是精確度極高的邁克爾遜-莫雷實驗向以太學(xué)說賴以建立的牛頓絕對時空觀提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，由此被開爾文看作為經(jīng)典物理晴朗天空中的一朵烏云。

二、狹義相對論

在愛因斯坦16歲時就開始思考這樣一個問題：“如果我以速度c（真空中的光速）追隨光線運動，我應(yīng)當(dāng)看到這條光線就好像一個在空中振蕩著而停滯不前的電磁論，實際上包含了狹義相對論的萌芽。愛因斯坦對這個問題的思考經(jīng)歷了很長的過程。他得知邁克爾遜-莫雷實驗的零結(jié)果，認(rèn)識到地球相對于以太的運動是不能用任何儀器測量的。如果邁克爾遜的零結(jié)果是正確的，那么地球相對于以太運動的想法就是錯誤的，這成為引導(dǎo)愛因斯坦走向狹義相對論的第一步。

后來，他試圖用洛倫茲方程討論斐索的流水中光速實驗。當(dāng)時他堅信麥克斯韋和洛倫茲電動力學(xué)方程是正確的，但是進(jìn)一步推算時，發(fā)現(xiàn)要保持這些方程對動體參照系同樣有效，必然導(dǎo)致光速不變性的概念，而光速的不變性明顯地與力學(xué)的速度合成法則相抵觸。

經(jīng)過10年的思考，終于找到了解決問題的關(guān)鍵：對時間概念的分析，不可能絕對的確定時間，在時間和信號速度之間有著不可分割的聯(lián)系。在愛因斯坦發(fā)表的《論動體的電動力學(xué)》的文章中，愛因斯坦把相對性原理和光速不變原理放在一起作為基本出發(fā)點，稱之為兩條公設(shè)，這里也不需要特設(shè)的絕對靜止的參考系，以此為出發(fā)點，推導(dǎo)出了時空變換關(guān)系，建立了一系列新的時空變換公式之后，又推導(dǎo)出了運動物體的“長度收縮”、運動時間的“時鐘變慢”、同時性的相對性及新的速度合成法則等，形成一套新的時空觀。愛因斯坦在《論動體的電動力學(xué)》中，推導(dǎo)出了電子質(zhì)量隨速度變化的關(guān)系和電子的動能公式，并由電子速度等于光速c時動能變?yōu)闊o窮大的結(jié)果，預(yù)言電子速度不可能大于光速。

狹義相對論雖然成功地打破了絕對參考系的優(yōu)越地位，但卻不得不保留慣性系的優(yōu)越地位，仍然只適用于慣性參考系。另外，不可能以自然的方式把引力理論同狹義相對論結(jié)合起來。為了解決這些問題，促使愛因斯坦提出廣義相對論，成為廣義相對論的最基本思想。

三、廣義相對論

愛因斯坦在1907年發(fā)表的論文《關(guān)于相對性原理和由此得出的結(jié)論》中提到了作為廣義相對論基礎(chǔ)的兩個基本原理：等效原理;廣義相對性原理。等效原理：一個均勻的引力場等效于一個不變的加速度。有了等效原理，通過“從理論上來考察那些相對于一個均勻加速度的坐標(biāo)系而發(fā)生的過程，我們就獲得了關(guān)于均勻引力場中各種過程的全部歷程的信息”。取消了慣性系的極為優(yōu)越的特殊地位，愛因斯坦提出廣義相對論的第二條基本原理——廣義相對性原理：自然規(guī)律同參考系的狀態(tài)無關(guān)，相對性運動原理對于互相做加速運動的參考系也仍然成立。

廣義相對論問題本質(zhì)上是引力問題。愛因斯坦在廣義相對論里，著重研究了引力問題。他系統(tǒng)的分析了牛頓關(guān)于引力問題的論述，認(rèn)為如果把超距作用改為場的作用，就可以找到引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量之間的必然聯(lián)系。于是，愛因斯坦便從慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等的等效原理出發(fā)，建立了引力場概念，最后通過復(fù)雜的運算推導(dǎo)出引力場方程，使得牛頓萬有引力理論未能解決的問題獲得了解決。愛因斯坦的引力場方程闡明了引力的本質(zhì)。他把引力場看成是物質(zhì)存在的一種特殊形態(tài)，它與物體之間的“接觸作用”就是引力。其次，弄清了牛頓引力理論的適用范圍，它只適用于低速運動的物體。在該范圍里，廣義相對論表現(xiàn)出與牛頓引力理論的結(jié)果一致;但物體的運動速度接近光速（強引力場），或者運動物體有轉(zhuǎn)動時，牛頓的引力理論便出現(xiàn)誤差，這是，只有廣義相對論才能做出正確解釋。因此，廣義相對論揭穿了引力之謎。廣義相對論的實驗驗證有：水星繞近日點的近動問題;光線在強引力場中的彎曲;光譜線的引力紅移。

參考文獻(xiàn)：

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[2]霍裕平.普通物理學(xué)[J].陜西師范大學(xué)出版總社有限公司.

[3]劉佑昌.相對論并不神秘[J].清華大學(xué)出版社.

作者簡介：

趙心雅（1997.7-）女，漢族，學(xué)生，黑龍江省賓縣，單位： 鄭州大學(xué) 物理工程工程學(xué)院，專業(yè)： 測控技術(shù)與儀器。