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物理学与人类文明论文(选修课)


物理学与人类文明论文
——浅析相对论与现代时空观

学生姓名: 所在学院: 专业年级: 学生学号: 指导老师:

谢 云 艺 管 理 学 院 工商管理 111 班 1111010141 唐延林老师

2013



12 月

13 日
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br /> 摘要
物理学是一门探究一切物质的组成及运动规律揭示它们之间的联系和各种 运动之间的关系的广博而丰富的学问。作为自然科学的一门重要基础科学,物 理学历来是人类物质文明发展的基础和动力。物理学史上最具影响力的理论— —相对论,是一个关于时空和引力的基本理论,主要由阿尔伯特·爱因斯坦

(Albert Einstein)创立,相对论和量子力学的提出给物理学带来了革命性的变
化,共同奠定了现代物理学的基础。在本文中,笔者将从狭义相对论、广义相 对论的相关原理和现代时空观以及他们在当今社会中的巨大影响方面,来论述 “相对论与现代时空观” ,笔者初次题写物理学类文章,多有不足之处,望广大 读者朋友们海涵。

关键字:相对性原理 狭义相对论

光速不变原理 现代时空观

等效原理 洛伦兹变换

四维时空的不变论

广义相对论





一、前言....................................................................1 二、相对论的概念............................................................1 三、狭义的相对论............................................................3 1、狭义相对论概念.......................................................3 2、狭义相对论的提出背景.................................................3 3、狭义相对论的基本原理.................................................4 4、狭义相对论的主要结论.................................................5 5、四维时空中的不变量...................................................6 6、质能关系、质能转化...................................................6 四、新引力理论——广义相对论................................................7 1、广义相对论概念.......................................................7 2、广义相对论的基本原理.................................................8 3、广义相对论的主要结论及一些预言.......................................9 4、相对论的时光观.......................................................9 五、相对论对当今社会的影响.................................................10 六、论文小结...............................................................11

附:参考文献...............................................................13



物理学与人类文明论文

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一、前言
时光飞逝,转眼之间又过了半个学期,这半年来,在唐老师兢兢业业的教 学下,我们完成了物理学与人类文明课程的学习,临近期末,是课程结束的时 候,也是我们的知识用到实处的开始阶段。还记得老师讲授物理学与人类文明 第四章的内容——相对论与现代时空观。由于个人的原因,对爱因斯坦有着莫 名的崇拜,同时也对他老人家的相对论非常感兴趣,以至于本人对这一堂课印 象非常深刻。本来就有想写点东西的想法,再加之老师交给我们完成课程论文 撰写的任务,同时我们也务须对本次课程的学习总结反思一番,鉴此,笔者作 如下小论一篇------浅析相对论与现代时空观。 物理学是一门探究一切物质的组成及运动规律揭示它们之间的联系和各种 运动之间的关系的广博而丰富的学问。作为自然科学的一门重要基础科学,物 理学历来是人类物质文明发展的基础和动力。同时作为人类追求真理、探索未 知世界奥秘的有力工具,物理学又是一种哲学观和方法论。在人类文明漫长的 岁月中,这种古老而又生机勃勃的学科为我们造就了一个又一个光辉的里程碑。 物理学对科学技术和生产力的发展起着最直接地推动作用,几次工业革命 便是最好的验证。其都是由于物理学深刻地揭示了自然规律,构成了认识自然、 改造自然的巨大力量,为科技发展提供了方法和技能。近一个世纪以来,物理 学又有了崭新的进展,带来相应的新技术革命。

二、相对论的概念
相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由阿尔伯特·爱因斯坦(Albert

Einstein)创立,依据研究的对象不同分为狭义相对论和广义相对论。相对论和



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量子力学的提出给物理学带来了革命性的变化,共同奠定了现代物理学的基础。 相对论极大地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” 、 “弯曲时空”等全新的概念。

狭义相对论和广义相对论建立以来,已经过去了很长时间,它经受住了实 践和历史的考验,是人们普遍承认的真理。相对论对于现代物理学的发展和现 代人类思想的发展都有巨大的影响。 相对论从逻辑思想上统一了经典物理学, 使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础 上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系,指出它们都服从狭义相对性 原理,都是对洛伦兹变换协变的,牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的 近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上,通过等效原理,建立了局域惯 性长与普遍参照系数之间的关系,得到了所有物理规律的广义协变形式,并建 立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上 解决了以前物理学只限于惯性系数的问题,从逻辑上得到了合理的安排。相对 论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学



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而系统的时空观和物质观,从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。

三、狭义相对论
1、狭义相对论的概念 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——绝对空间,时间是独立于空 间的单独一维(因而也是绝对的) ,即绝对时空观。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。 2、狭义相对论的提出背景 在19世纪末,人们知道光速是有限的,在测量光速时发现,木星卫星发出 的光,到达地球的时间是相同的,而不管地球是朝向卫星运动还是背向卫星运 动。这不符合物体运动的速度叠加原理(A 参照系相对于 B 参照系速度为 v1,A 上发出相对 A 速度为 V2的物体, 物体相对于 B 速度为 V1+V2) , 而符合波的性质, 因为当时已知的所有波都有介质,因此人们假设光也有介质,定名为“以太” , 光在以太中稳定传播,所以与地球的运动无关。 由于地球并非宇宙中的特殊天体,以太应该对地球有相对运动,而著名的迈克 耳孙(A.A.Michelson)和莫雷(E.W.Morley)实验证明了相对地球运动的以太 不存在,也就是说,如果存在以太,以太就是对地球静止的,这里和一些人认



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为的证明了以太不存在,叙述上有一点点区别。 1905年,爱因斯坦提出两条假设: 1。相对性原理:物理学在一切惯性参考系中都具有相同的数学表达形式,也就 是说,所有惯性系对于描述物理现象都是等价的。 (够绝对的) 2。光速不变原理:在彼此相对作匀速直线运动的任一惯性参考系中,所测得的 光在真空中的传播速度都是相等的。 1964年到1966年,欧洲核子中心(CERN)在质子同步加速器中作了有关光 速的精密实验测量,直接验证了光速不变原理。实验结果是,在同步加速器中 产生的一种介子(写法是派的0次方)以0.99975c 的高速飞行,它在飞行中发生 衰变,辐射出能量为6000000000eV 的光子,测得光子的实验室速度仍是 c。 3、狭义相对论的基本原理 (1)相对性原理——所有的物理规律在不同的惯性参照系中均一样。



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(2)光速不变原理——光在真空中的传播速度,在所有惯性参照系中均相 同。

4、狭义相对论的主要结论 (1)同时的相对性 在车厢上同时发生的两件事,在地面上看来并不同时发生。 同时性具有相对性。 (2) 时间延缓

(3)长度缩短



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表明空间也是相对的,在不同参照系有不同的空间结构。 在一个参照系看物体是一个正方体,在另一个参照系可能是长方体;在一个 参照系是球形,在另一个参照系却是扁球形的。 表明物体的形状是相对的。 5、四维时空中的不变量 狭义相对论中,距离和时间在不同的参照系是不同的。然而

s 2 ? (c?t )2 ? (?r )2
是四维时空中的不变量。表明时间和空间不是独立的,相互间存在联系! 6、质能关系、质能转化 (1)质能关系 在化学反应中,例如氢与氧结合生成水,水的质量等于参加反应的氢和氧 的质量之和。在反应中放出的热量,被认为是氢和氧原子中储存的化学能,在 整个反应过程中,能量和质量分别守恒。



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爱因斯坦要使物体运动定律既满足光速不变和相对性原理, 又要求低速下与 牛顿定律一致,得到了一个令人意外的结果:物质可以转化为运动能量,能量 也可转化为物质。 物质与能量相互等价

E ? mc 2

质量包括静止质量和运动质量 静止质量可以转化为运动质量:如正负粒子相互湮灭成光子,而光子 只有运动质量没有静止质量. 反之亦然。 (2)质能转化 氢与氧结合生成水时放出的热量来源于氢与氧的质量和与水的质量之 差(也称质量亏损)。 化学反应的质量亏损比例约为一千亿分之一到十亿分之一。核反应的比 例约为一万分之一到一千分之一。 50 克物质全部转化为能量,可将西湖中的所有水加热到沸腾。

四、新的引力论——广义相对论
1、广义相对论的概念 广义相对论是爱因斯坦在1915年发表的理论。 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(目 前实验证实,在10 ? 12的精确度范围内,仍没有看到引力质量与惯性质量的差 别)。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。



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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。

2、广义相对论的基本原理 (1)广义协变原理 自然规律对于任何参照系而言都应具有相同的数学形式。 (2)等效原理 匀加速参照系可与均匀引力场中静止的参照系等效。 比萨斜塔实验 m 引=m 惯



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3、广义相对论的主要结论及一些预言 (1)结论 引力大的地方时间过得慢 ; 引力导致空间弯曲。 (2)预言 恒星光的引力偏转; 雷达回波延迟; 水星近日点的进动。 4、相对论的时光观 (1)牛顿的绝对时空观认为时间和空间是绝对的、均匀的,相互独立的; 根据相对论,时间和空间是相对的。即在不同的参照系时间是不同的,物体的形 状,质量等都是不同的; “横看成岭侧成峰,远近高低各不同。 ” 西林壁》 ) (2)时间和空间是相互关联的。 一个参照系中的所有钟都校准了,即相互同步的,在另一参照系看这些不同 地点的钟都不同步了。 (3)四维时空中的“不变论” 相对论(relativity)不同于“公说公有理,婆说婆有理。 ”没有是非标 准的相对主义(relativism)的理论。 寻求不同参照系中各观测量之间的联系,重点是不同参照系中的共性,即 所谓的“不变性” 真空中的光速在不同参照系中是不变的,物理规律的数学形式在不同参照 (苏轼《题

2GM ?T ? 1 ? 2 ?t c r



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系中是一样的。 时空会影响物质的“内在的特性” ! 物质也会反过来改变时空! 时间与空间不仅是相对的、相互关联的,而且与物质存在有关,与观察者的 运动状态有关

五、相对论对当今社会的影响
从爱因斯坦的相对论出现后,大家都知道时间也是相对的,是和质子裂变的 速度的比较. 这个事情推论到人的身体要素上也是成立的 .当人体机能所进行的分子裂 变超过正常的时候,也就是新陈代谢大量造物的时候,即新造的多而代谢的少的 时候,那么这个人的体内质子裂变将明显超过时间相对的质子裂变的速度,因此 在这个人的内心的心理时间就会比外界的正常时间长.比如小孩子,由于他们的 新陈代谢旺盛,因此他们的内心就我们正常人的时间感觉长,因此他们表现的好 动.不过这个心理时间可以通过人的意念 ,欲望所控制,因此有些小孩子在很小 的时候就表现的比较安静,比较镇定,那是他们从心理上把肌体质子裂变的比例 因子用意念给缩短了.如果这种意念能够长久的保持和利用,这样的孩子在成人 以后多能表现的临危不乱,很容易成大事. 而且这个肌体质子裂变的,在特定情况下,可以受到临时或者外部环境的影 响,比如人在焦虑,忧愁,烦恼,悲伤的时候,此时人的体内的质子裂变激烈,质子 的剧烈裂变导致激烈的心理暗示.这个心理暗示是在加速质子裂变的情况下产 生的影响,因此此时的心理暗示比正常情况下普通的心理暗示强烈的多 ,因此人



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们在危难,忧愁,烦恼前的心理暗示往往是极其激烈的 ,激烈的可以摧毁一个人 的精神支柱,理念信仰. 相反的,如果人类利用这个心理暗示加速自己的战斗决心和意志力 ,这将无 形的增大这个人的意志力.就象说"爱情的力量是伟大的",其实不是爱情有力量, 而应该是质子裂变下心理暗示所造成的能量的累计. 因此 21 世纪更伟大的生命科学将从浅层次的人类心理意识行演变成引导这 种心理意识革命的更伟大的战斗中去 . 到那时 , 人类的很多极限将需要重新谱 写.

六、总结
我们的物理学有许多的哲理性的解释、原理和概念,它都可以被借鉴推广 到人类社会各个领域,实现多领域的创新,使我们社会、个人健康发展过程中 积累智慧,不断合理前进。当前不管是社会、民族、科技都朝着和谐统一的方 向发展。爱因斯坦、莱布尼茨、波尔、费曼、杨振宁等世界物理学大师都很欣 赏中国古代的系统而有机的思维,并试图用系统的东方思维方式寻找自然界中 各种矛盾理论的大统一理论。爱因斯坦为这一方向做出了前期的贡献。狭义、 广义相对论正是统一各前期各学科理论矛盾后得出的伟大物理理论。他还历史 性地提出 “爱因斯坦质能方程” 。 事实上这种表现方式在中国的古代就已经有了, 并且早已成功地运用到中医学中。 在中医学中, 爱因斯坦的 “质” 被解释为 “血” , “能”则被解释成“气” 。质能的辩证统一,早在两千多年前的古代中国就已经 以“气血”的辩证理论,为世世代代中国人的健康问题而服务。



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我们在学习各领域学科时,应该不忘记与自然、历史、思想、文化、人类社会 和积极的处世哲学相联系。在学习自己的学科时,真正成为一个全面发展的人。 综合以上论述,物理学自其诞生便作为一门能够不断改写和更新人类文明 的学问而存在并不断丰富发展着;它对人类社会进步的贡献是每一位科学家有 目共睹的。物理学不仅满足了人们探索未知世界的好奇心与求知欲,同时在其 理论发展过程中对工业科技进步及其它自然科学发展潜移默化地起着举足轻重 的作用。物理学的发展,不仅为人类物质生产开拓了新的空间,而且为人类精 神世界积淀了丰富的宝藏,对人类社会的生产方式、生活方式和思维方式产生 了深远的影响。 另外,通过这一次的理论实习,我受益匪浅,老师的精彩授课,让我们习 得很多平时都见不到的物理学理论,真的好不容易。同时,我也在反思,我们 学习的目的是什么,并不是为了学习理论而来的,更重要的是要将课堂的理论 运用到实际啊,我想老师授课的初衷也是这样的。所以,我们不仅要学会很多 相关专业的理论基础知识,更应该学会自己实践,用现实实践来补充书本理论, 用理论与实践的结合来武装自己,是自己真正成为一个有作为的现代知识分子。 正如俄国科学家德米特里·门捷列夫曾所言:没有经过实践检验的理论, 不管它多么漂亮,都会失去分量,不会为人所承认;没有以有分量的理论作基 础的实践一定会遭到失败。 所以,这一次,我学会了物理学理论,也理会了要 将其与实践相结合。所以,接下来的时光里,我们任重道远,然我将继续奋斗 到底,争取有一天能够将物理学继续发扬光大。



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附录 参考文献:

【1】马文蔚 .物理学[M].高等教育出版社 第五版上册 【2】理查德?费恩曼.费恩曼物理学讲义[M].上海科学技术出版社 新千年版第一卷 【3】胡盘新、汤毓骏、钟季康、 程守洙 .普通物理学[M].高等教育出版社 第六版上册

【4】哈里德 .时代教育国外高校优秀教材精选.物理学基础[M].机械工业出版社 第六版 【5】哈里德.哈里德大学物理学[M].机械工业出版社 第六版上册 【6】[EB/OL]相对论:http://baike.baidu.com/subview/4243/8836415.htm 【7】[EB/OL]洛伦兹变换:http://baike.baidu.com/view/33340.htm 【8】爱因斯坦(著)刘道军(译) .相对论的意义[J].上海科技教育出版社 【9】R.P.费曼 .费曼讲物理:相对论[J].湖南科学技术出版社


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