爱因斯坦的相对论相对于牛顿的时空观的变革在哪

2024-11-30 12:39:20

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回答（1）：

牛顿绝对时空观承认时间和空间的客观性，但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的。这在当时就引起了一些科学家和哲学家的思考和怀疑。特别是电磁理论的发展和十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后，绝对时空观更面临着严峻的局面。按麦氏方程中存在的常数c，表明电磁波或光在真空中沿各个方向均以不变的速度c传播，这与伽利略相对性原理发生了矛盾。因为据绝对时空观的经典速度合成定理，在不同惯性系中，光的传播速度不应在各个方向均相同。似乎只有在某一特殊参考系中，麦氏方程才取标准形式，光才在各个方向上均以c传播。人们曾引入“以太”假设，认为“以太”充满宇宙空间并绝对静止，光是“以太”介质中的波动。相应于“以太”的惯性系就是那个特殊参考系。这样，“以太”就充当了“绝对空间”的角色。通过测定物体相对于“以太”的“绝对运动”所引起的“以太风”就可期望找到“以太”。然而，尽管人们赋予“以太”各种各样光怪陆离的性质，仍难自圆其说。且反复实验的结果都是否定的，根本发现不了“以太风”。相反却证明了在任何惯性系中光速都是不变的。1887年的迈克尔孙——莫雷实验可看作否定“以太”的判决性实验，这使得牛顿绝对时空观遇到了根本性的困难。

1905年，爱因斯坦创立狭义相对论。提出了两条基本假设：

1.在互作匀速直线运动的所有惯性系内，一切物理规律都是相同的。此即相对论的相对性原理。

2．在所有惯性系内，真空中的光速c在各个方向都相同，与光源的运动状态无关。此即光速不变原理。

这两条原理构成狭义相对论的基础，且从本质上改变了牛顿绝对时空观。既然按相对性原理，一切物理规律在任何惯性系中都相同，一切惯性系都是平权的，没有哪个惯性系更优越，这就使绝对空间的概念失去了意义。绝对时空观实际上包含着这样一个假定：存在信号传播的无限大速度，物质的相互作用是一种“瞬时超距作用”。所以存在“绝对时间”。爱因斯坦摒弃了“以太”观点，取消了无限大速度的溉念，认为真空中的光速c是信号传播的极限速度，这就动摇了绝对时间的基础，从而接触到了时间和空间的相对性问题，揭示了空间和时间之间某种普遍而新颖的联系，引起人类时空观的变革。

从狭义相对论的两条基本原理出发，可以得出在沿x方向相互以速度v作匀速直线运动的两个惯性系k(x，y，z，t)和k'(x'，y'，z'，t')中，描述同一事件的时空坐标之间的变换关系为：

此即著名的洛仑兹变换式。它是相对论时空观的具体体现。由此容易得出，一个杆的长度(空间间隔)在两个惯性系中的关系为：

即空间间隔是相对的。同一杆的长度在不同参考系中测出的结果是不同的。在相对于杆静止的k' 系中，杆测出的长度l'最大，在相对于k'运动

的参考系中测出的长度则发生收缩，缩短为静止长度(或固有长度)的

，所谓收缩只是测量效应，它取决于测量参考系与被测物体之间(客观)的关系。同样，两事件的时间间隔在不同参考系中也是不同的，且与事件所在空间坐标有关。

而四维时空间隔

则是不变的，所有这些充分表现了狭义相对论所引起的时空观的重大变革，它揭示了时间和空间的内在联系。以及对时空的测量依赖于参考系的选择。广义相对论则进一步指出，在无引力场存在时，时空是欧几里德特性的“平直”时空。而有引力场存在的时空，则是非欧几里德特性的“弯曲”时空，揭示了时空与物质及其运动之间的联系。这无疑是人类对时空认识的巨大进步，是时空观的重大变革，也是科学史上的一次伟大革命。

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