相对论中相对与绝对的讨论

相对论中相对与绝对的讨论 ()2005 年 3 月 Mar. 2005 自然科学版北京联合大学学报 () Journal of Beijing Union UniversityNatural Sciences Vol . 19 No . 1 Sum No . 59 第 19 卷第 1 期总 59 期 相对论中相对与绝对的讨论 张 东 ()北京联合大学 基础部 ,北京 100101 [ 摘 要 ] 对相对论教学内容进行了讨论和研究 。在教学中常常强调其中的“相对”,而忽视了 相对论中还有“绝对”的一面 ,如光速不变原理 、狭义相对性原理 、广义相对性原理 、本征长度 、本 征时间 、闵可夫斯基四维时空等都具有绝对性 。指出相对和绝对是对立统一的两个侧面 ,只有正 确地看待相对与绝对的关系 ,才能很好地理解相对论的本质 ,从而更好地掌握自然界的规律 。 [ 关键词 ] 相对论 ; 相对 ; 绝对 ; 本征长度 ; 本征时间 文献标识码 ] A[ () [ 中图分类号 ] O 41211 [ 文章编号 ] 100520310 20050120022203 相对论问世有一个世纪了 ,相对论进入大学课 光速不变原理的绝对性 1 堂也已有多年 。教学中 ,我们总是反复强调其中的 光速不变原理是狭义相对论两个基本原理之 “相对”,如同时的相对性 、时间的相对性 、空间的相 对性等 ,但忽略了另一方面 ,即本文指出的 ,相对论 一 ,其绝对性是很明显的 。在所有惯性系中 , 真空 中虽然将经典力学中的绝对时间和绝对空间降为 中的光沿各个方向传播的速率都相等 ,与光源和观 相对 ,但却将另一些概念由相对升级为绝对 。相对 察者的运动状态无关 ,这是一个绝对速率 。这一结 2 论中有比牛顿的经典力学更多的具有绝对意义的 论也可称为光速的绝对性原理 。光速的绝对性还 存在另一个意义 :光速是一切物体相对于任一给定 内容 。只有了解了这些“绝对”,才能全面理解相对 的参照系的速度的上限 ,即任何物体的速度在任何 论中的“相对”。 量子物理的奠基人普朗克对相对一个参照系中都不能超过光速 。真空中的光速 c 论曾给予特 是个普适恒量 。因此 ,光速 c 不再是测量值 ,而是 别的注意 ,他说 “: 我最感兴趣的问题总是探索一种 定义值 。1986 年给出的光速推荐值为 8 绝对的东 西 , 这 似 乎 和 我 对 相 对 论 感 兴 趣 是 矛 盾 c = 21997 924 58 ×10mΠs 从此不再需的 ,但这种判断是有原则性错误的 ,因为相对本身 ( ) 要独立的长度标准 m,并把 1 m 定义 为 1 s 时间3 就必须以存在绝对为前提 ,而相对只是在有某种绝内光传播距离的 1Π299 792 458倍 。 对与之对立的时候才有意义 。 在相对论的原 理中就有某种绝对的东西 。所以 ,特别引人的课题 正是去寻找那个赋予它真正意义的相对中的绝对 2 相对性原理的绝对性 1的东西 。” 狭义相对性原理 :物理规律在所有惯性系中具 那么相对论中有哪些“绝对性”的内容呢 ? 本 有相同的形式 。这其中就包含了绝对性因素 。其 文将在下面的讨论中说明 。 一 ,所有惯性系都是平权的 ,具有绝对意义 ; 其二 ,任何一个理论 ,都会有作为其理论出发点的具 虽然不同惯性系中对某些物理量的测量是相对的 ,有绝对意义的内容 。牛顿的经典力学是以绝对时 但物理规律的不变性具有绝对意义 。 广义相对性间和绝对空间作为其理论的出发点 。狭义相对论 原理 :物理学规律必须具有这样的 则是以光速不变和狭义相对性原理为出发点 ; 广义 性质 ,他们对于无论以那种方式运动着的参照系都 相对论是以等效原理和广义相对性原理为出发点 , 是成立的 。这里进一步指出了物理规律的绝对性 这些都具有绝对性 。 和不变性 。 2004 - 12 - 09 [ 收稿日期 ] ()国家“十五”教育科学重点立项课题 BIA010091212D03 [ 基金项目 ] () 张东 1950 —,男 ,北京市人 ,北京联合大学基础部副教授 ,研究方向为理论物理 、现代物理 、物理教学 。 [ 作者简介 ] ΔΔxΠt 为关联速度 , 则要满足上式 , 必须有 u 或 v 有相对性 大于光速 c , 而相对论中光速 c 是一个极限速度 。 2 ΔΔt = t1 - v c 0由此 ,有因果关系的事件的时序是绝对的和不能颠 2 倒的 。1 - v l= l c 0 2 5 闵可夫斯基四维空间的绝对性 m = 1 - mv c 0 第一个意识到爱因斯坦时空观的是爱因斯坦 Δ这里t 、l 、m 都是相对量 , 与参照系的运动有关 , 在苏黎世上学时的老师闵可夫斯基 。出于对相对 Δ但他们的本征量 t、l、m都是绝对的 。这些本 0 0 0 ( ),闵可夫斯基将三个空间维 x , y , z 论的深刻理解 征量反映 了 物 质 的 客 观 属 性 , 与 参 照 系 的 运 动 无 ( ) 加上了 一 个 时 间 维 ct , 构 成 一 个 四 维 平 直 空 间 关 ,是绝对量 。[ 4 ] ( ) x , y , z , ct ,后来被人们称为闵可夫斯基空间 。 闵可夫斯基空间中的一点描述一个事件 。在相对 4 因果关系的绝对性 论中单独的空间间隔和单独的时间间隔是相对的 , 相对论中 ,无因果关系的二事件发生的时间顺 Δ但闵可夫斯基空间的两点之间的时空间隔 s 是一 个与惯性系的选择无关的不变量 。 序在不同参照系中可能是颠倒的 。例如北京和广 州相距约2 200 km , 各有一个小孩出生 。设在地面 2 2 2 2 2 ΔΔΔΔΔ)( s = x + y + z - ct 参照系中 测 量 , 北 京 的 小 孩 比 广 州 的 小 孩 早 出 生 - 3 由洛伦兹变换有 10 s 。若一飞船以 018 c 相对地面沿北京 ———广2 2 2 2 γ(ΔΔ) ΔΔΔ = [x + vt ] s+ y z - + 州飞行 ,飞船参照系 ,测量的结果如何 ? 由洛伦兹 2 v22 变换有 ΔΔγt + xc2 = c v ΔΔt - x2 2 2 2 2 c ΔΔΔ( Δ) - x + y + z ct = Δ = = t2 221 - vΠc Δs 6- 3 018 不变量是客观实在性的反映 。爱因斯坦曾说 : 212 ×10×10 - 8 3 ×10“依照狭义相对论 ,空间坐标和时间 ,就它们可以用 = 21 - 018 静止的钟和物体来直接量度而论 ,仍然有绝对的特 - 3 - 811 ×10 s 征 ,可是就它们取决于所选择的惯性系的运动状态 结果为负值 ,示在飞船参照系 ,北京的小孩 而论 ,它们则是相对的 。依照狭义相对论 , 由空间 比广州的小孩后出生 。和时间结合而成的四维连续区 ,仍保持着绝对性 。 有因果关系的二事件 ,如发报和收报 、发信和 而依照以前的理论 ,这种绝对性则分别为空间和时 5收信等的时序在相对论中能否颠倒呢 ? 设有两个 间各自所有 。” 事件 , 如 发 报 和 收 报 , 在 S 系 的 时 空 坐 标 分 别 为 相对论中还有许多其他概念和量具有绝对性 。 ( ) ( ) x, t, 和 x, t; 在 S 系 的 时 空 坐 标 分 别 为 1 1 2 2 如某些相对量的组合可以构成绝对量 。例如 ,动量 2 ( ) ( ) Δx , t 和 x , t 。在 S 系先发报后收报 ,有 t1 1 2 2 ( P 与 能 量 E 都 是 相 对 的 , 但 他 们 的 组 合 量 E- 2 2 Δ= t- t> 0 ;若在 S 系看到先收后发则会有t = 2 1 ) Pc是绝对的 。 t - t < 0 ,由洛伦兹变换有 2 1 相对与绝对是对立统一的两面 ,只有辨证地看 待相对 与 绝 对 的 关 系 , 才 能 正 确 理 解 相 对 论 的 精 v ΔΔt - x2 c 髓 ,从而更深刻地掌握自然界的规律 。 Δt = < 0 2 21 - vΠc ()2005 年 3 月 北京联合大学学报 20 自然科学版 [ 参考文献 ] 1 斯杰潘诺夫 . 光学 300 年 M . 尚惠春译 . 北京 :科学普及出版社 ,1981. 68. 张三慧 . 趣谈相对论 M . 南宁 :广西教育出版社 , 1999. 14. 2 朱荣华 , 王莉. 现代技术中的物理学 M . 北京 : 高等教育出版社 , 2003. 301. 3 陈宜生 , 李增智 . 大学物理 M . 天津 :天津大学出版社 , 1999. 146. 4 () 爱因斯坦 . 爱因斯坦文集 第 1 卷M . 许良英 ,范岱年译 . 北京 :商务印书馆 ,1976. 165. 5 () 周镇宏 . 相对论中的绝对论 J . 广东工学院学报 , 1984 ,1 12:68 - 72. 6 On Being Relative and Absolute in Relativity ZHANG Dong ()Basic Department of Beijing Union University , Beijing 100101 , China Abstract : In teaching relativity , what is stressed is its being relative while what is ignored is its being absolute . Exam2 ples of the absoluteness include the principle of invariance for velocity of light , the principle of special relativity , the principle of general relativity , eigenlength , eigentime , Minkowski four dimensional space2time . It must be pointed out that the relative and the absolute are the two aspects of the law of the unity of opposites , and only by rightly compre2 hending their relations , can the nature of relativity as well as the law of nature be better understood. Key words : relativity ; the relative ; the absolute ; eigenlength ; eigentime () 责任编辑 李亚青 学术简讯 北京联合大学信息技术研究所召开企业信息化研讨会 2004 年 12 月 9 日 ,北京联合大学信息技术研究所在信息学院会议室举行了本学期第 4 次学术研讨会 ,主题是“企 业信息化发展”。与会人员为信息技术研究所专兼职人员及学校相关专业教师 。 会议针对企业信息化发展的状况和技术展开研讨 。首先由特邀嘉宾北京交通大学计算机与信息技术学院博士生 导师须德教授作了“浅谈企业信息化”的主题 ,介绍了企业信息化的必要性 、难点和策略 。接着北京联合大学信息 学院孙连英博士就“本体论及信息领域的应用”专题发言 ,介绍了本体知识和本体在信息领域应用的前景和技术实施 ;彭涛博士作了“智能信息搜索引擎及信息系统中的应用”的专题发言 。其他与会人员也发表了自己的见解 。通 过本次研讨会 ,使参会人员开阔了眼界 ,拓宽了知识 ,对企业信息化有了更深入的了解 ,对本体和智能信息搜索有了进 一步的认识 。 鲍泓所长在发言中说 ,首先对须德教授和孙连英博士 、彭涛博士的精彩发言表示感谢 ! 接着谈到作为高校教 师 ,要真正提高教学水平 ,应注重科研能力的培养 ;通过学术交流 ,在学院里形成好的科研氛围 ,提高学术水平 ;同时开 阔眼界 ,打开思路 ,利用研究所的有利条件 ,多出科研成果 ,多出人才 。 北京联合大学 信息技术研究所 供稿