时间与空间的相对性

一、时间和空间的特性可以通过测量确定牛顿于1687年在他的名著《自然哲学之数学原理》中说：“绝对的、真实的、数学上的时间，以同样的方式流动，与外界的一切毫无关系。”因此牛顿认为，一只钟（或一根尺）无论静止还是运动，它的快慢（或长度）总是不变的。两百多年后，年轻的爱因斯坦对此提出了疑问，他认为，牛顿的这个一直被认为是很清楚的假设，实际上一点也不清楚，必须谨慎地对它进行分析。 只要稍加思考就会觉得，牛顿的时间“滴答”和宇宙其他一切无关的理念是有问题的。我们常说“抽一支烟的功夫”，这句话生动地说明时间是与物质运动变化不可分割的，事实上时间观念和一些具体事物密切有关。例如钟摆的摆动、地球的轨道运动、晶体或原子的振动，以及一切物理过程、化学过程、生命过程等等。因此爱因斯坦对时间的基本看法是，时间（和空间）与客观物质的存在及其运动密切有关，没有客观物质和它们运动变化过程的存在，也就没有时间和空间的概念。因此，时间和空间应当与物质的运动状态有关，不可能是绝对的。为了回答时间、空间究竟是相对的还是绝对的这个问题，爱因斯坦认为，可以通过实验测量来决定。具体来说，需要地设计出合理的方案，让相对静止和相对运动的观察者对同一只钟或同一把尺进行测量，然后对测量结果进行比较。爱因斯坦这里重要的贡献在于，将时间、空间这个看来相当抽象的问题建立在实验观测基础之上，由此时间空间进人了物理学的范畴二、通过“光钟”一类理想实验，可以揭示出时间的特性 为了测量时间，研究它的特性，用通常实物所构造的钟（包括单摆、地球绕太阳的公转、晶体或原子的振动等）是不合适的，因为这样一来，必须同时研究构成钟的物质的存在对时间特性的影响，从而使问题复杂化。为此，爱因斯坦设计了如图所示的“理想实验”，其中所用的钟不含任何部件，唯一运用的是光的运动，而爱因斯坦认为，光的运动速度对于不同惯性系观察者来说，是绝对相同的，大家知道，“理想实验”在物理学发展中常常起到关键性作用，伽利略用理想实验揭示了物体的惯性，为牛顿力学的建立打下了基础。爱因斯坦利用“光钟”、“光尺”所做的理想实验，揭示了时、空的相对性，建立了作为现代物理学两大支柱之一的相对论。设想在一列以速度v 作匀速直线运动的列车上，有位旅客对准竖直上方h高处的一面反光镜打出激光束，对于他以及所有列车上的人（称为“静系”）来说，这束激光从发出至回到光源位置［见图(a)］作为“滴答”一次的时间间隔为t0=2h/c。
现在要问，地面上的观察者将怎样看待这个测量结果？从地面上看，这是一只运动的“光钟”，在光传播过程中列车向前行进了一段距离，因此地面上的人（称为“动系”）认为，这只光钟“滴答”一次的过程中光束是沿路径ABC传播的［见图（b）］，它所通过的路程大于2h，如果光速仍然是c，那么在他们看来，这只运动光钟“滴答”一次的时间△t就会长些。进一步应用勾股定理，可得到定量关系：，注意到，所以△t >△t0。此结果表明：运动的钟变慢了。列车里的这只光钟搬到地面上，那么可得到类似的结果：列车里的人发现，这只运动光钟变慢了。因此，如果光速对于不同惯性系相同，则时间流逝的快慢就会与观察者的相对速度有关，这就是“时间相对性”的含义。 钟的“的”事件和“答”事件可想象为一个化学过程的开始和结束；一个基本粒子的产生和淹灭；一个生命体的诞生和死亡；静止钟的“的”事件和“答”事件发生在同一地点。因此，任何两个事件在某一惯性系里若发生在同一地点，则该参考系中测得这两个事件的时间（间隔）就称为“静时（间隔）”。静时（间隔）最短，或者说，静系中时间的流逝最快。三、时间的相对性起源于“光速不变性”与爱因斯坦的看法相反，在牛顿力学中，光速与一切其他通常物体的速度一样，都是相对的。如果这样，则根据牛顿力学中的速度合成公式，图（b）中光束沿路径ABC传播的速度将为，且不难证明，这时光束沿该路径的传播时间（间隔）△t=2h/c=t0。这个结果显示了牛顿力学中时间的绝对性。可见，如果光速是相对的，那么时间就是绝对的（牛顿力学）；反之，光速是绝对的，那么时间就是相对的（相对论）。四、空间相对性与时间相对性密切有关如果承认“时间是相对的”便可立即得到一个推论：“空间是相对的”。因为，当人们用钟和尺做测量光速的实验时，运动的钟与静止的钟相比，走得慢些，所以沿运动方向的动尺的长度（l）与静尺（l0）相比，必然按同样的比例缩短以便保证光速不变。可见，空间相对性与时间相对性密切有关。而且根据爱因斯坦的观点，光速不变性是人类通过长期实践所认识到的大自然的一个基本法则，时空的相对性只是这个基本法则的必然结果。五、光速究竟是相对的还是绝对的？力学中，常常将时间、空一、时间和空间的特性可以通过测量确定牛顿于1687年在他的名著《自然哲学之数学原理》中说：“绝对的、真实的、数学上的时间，以同样的方式流动，与外界的一切毫无关系。”因此牛顿认为，一只钟（或一根尺）无论静止还是运动，它的快慢（或长度）总是不变的。两百多年后，年轻的爱因斯坦对此提出了疑问，他认为，牛顿的这个一直被认为是很清楚的假设，实际上一点也不清楚，必须谨慎地对它进行分析。 只要稍加思考就会觉得，牛顿的时间“滴答”和宇宙其他一切无关的理念是有问题的。我们常说“抽一支烟的功夫”，这句话生动地说明时间是与物质运动变化不可分割的，事实上时间观念和一些具体事物密切有关。例如钟摆的摆动、地球的轨道运动、晶体或原子的振动，以及一切物理过程、化学过程、生命过程等等。因此爱因斯坦对时间的基本看法是，时间（和空间）与客观物质的存在及其运动密切有关，没有客观物质和它们运动变化过程的存在，也就没有时间和空间的概念。因此，时间和空间应当与物质的运动状态有关，不可能是绝对的。为了回答时间、空间究竟是相对的还是绝对的这个问题，爱因斯坦认为，可以通过实验测量来决定。具体来说，需要地设计出合理的方案，让相对静止和相对运动的观察者对同一只钟或同一把尺进行测量，然后对测量结果进行比较。爱因斯坦这里重要的贡献在于，将时间、空间这个看来相当抽象的问题建立在实验观测基础之上，由此时间空间进人了物理学的范畴二、通过“光钟”一类理想实验，可以揭示出时间的特性 为了测量时间，研究它的特性，用通常实物所构造的钟（包括单摆、地球绕太阳的公转、晶体或原子的振动等）是不合适的，因为这样一来，必须同时研究构成钟的物质的存在对时间特性的影响，从而使问题复杂化。为此，爱因斯坦设计了如图所示的“理想实验”，其中所用的钟不含任何部件，唯一运用的是光的运动，而爱因斯坦认为，光的运动速度对于不同惯性系观察者来说，是绝对相同的，大家知道，“理想实验”在物理学发展中常常起到关键性作用，伽利略用理想实验揭示了物体的惯性，为牛顿力学的建立打下了基础。爱因斯坦利用“光钟”、“光尺”所做的理想实验，揭示了时、空的相对性，建立了作为现代物理学两大支柱之一的相对论。设想在一列以速度v 作匀速直线运动的列车上，有位旅客对准竖直上方h高处的一面反光镜打出激光束，对于他以及所有列车上的人（称为“静系”）来说，这束激光从发出至回到光源位置［见图(a)］作为“滴答”一次的时间间隔为t0=2h/c。
现在要问，地面上的观察者将怎样看待这个测量结果？从地面上看，这是一只运动的“光钟”，在光传播过程中列车向前行进了一段距离，因此地面上的人（称为“动系”）认为，这只光钟“滴答”一次的过程中光束是沿路径ABC传播的［见图（b）］，它所通过的路程大于2h，如果光速仍然是c，那么在他们看来，这只运动光钟“滴答”一次的时间△t就会长些。进一步应用勾股定理，可得到定量关系：，注意到，所以△t >△t0。此结果表明：运动的钟变慢了。列车里的这只光钟搬到地面上，那么可得到类似的结果：列车里的人发现，这只运动光钟变慢了。因此，如果光速对于不同惯性系相同，则时间流逝的快慢就会与观察者的相对速度有关，这就是“时间相对性”的含义。 钟的“的”事件和“答”事件可想象为一个化学过程的开始和结束；一个基本粒子的产生和淹灭；一个生命体的诞生和死亡；静止钟的“的”事件和“答”事件发生在同一地点。因此，任何两个事件在某一惯性系里若发生在同一地点，则该参考系中测得这两个事件的时间（间隔）就称为“静时（间隔）”。静时（间隔）最短，或者说，静系中时间的流逝最快。三、时间的相对性起源于“光速不变性”与爱因斯坦的看法相反，在牛顿力学中，光速与一切其他通常物体的速度一样，都是相对的。如果这样，则根据牛顿力学中的速度合成公式，图（b）中光束沿路径ABC传播的速度将为，且不难证明，这时光束沿该路径的传播时间（间隔）△t=2h/c=t0。这个结果显示了牛顿力学中时间的绝对性。可见，如果光速是相对的，那么时间就是绝对的（牛顿力学）；反之，光速是绝对的，那么时间就是相对的（相对论）。四、空间相对性与时间相对性密切有关如果承认“时间是相对的”便可立即得到一个推论：“空间是相对的”。因为，当人们用钟和尺做测量光速的实验时，运动的钟与静止的钟相比，走得慢些，所以沿运动方向的动尺的长度（l）与静尺（l0）相比，必然按同样的比例缩短以便保证光速不变。可见，空间相对性与时间相对性密切有关。而且根据爱因斯坦的观点，光速不变性是人类通过长期实践所认识到的大自然的一个基本法则，时空的相对性只是这个基本法则的必然结果。五、光速究竟是相对的还是绝对的？力学中，常常将时间、空间和质量称为“基本量”，其他物理量，如速度、加速度、能量、动量等通称为“导出量”。可见时空的性质将严重影响其他所有物理量的性质以及所有物理规律的特征。现在我们又认识到，时空的绝对性或相对性问题实质上起源于光速的相对性或绝对性问题。光速究竟是相对的还是绝对的这个问题对于生活在17世纪的伽利略和牛顿来说，从未仔细想过。19世纪末，通过法拉第和麦克斯韦等物理学家的努力，建立了光的电磁理论；另一些科学家则设计了各种实验方案，发明了各种仪器，以便能精确测量光这类高速运动物质的速度。直到那时，物理学家才有条件真正认真地思考光和电磁波这类物质的运动速度是否满足伽利略一牛顿的速度相对性问题。大量精确度越来越高的实验结果表明，光的速度似乎完全不存在相对性。而是具有不变性，即光速不变是绝对的，而建立在光速不变基础上的时间空间则是相对的，这正是相对论时空观念区别于牛顿绝对时空观念的根本之处。牛顿的绝对时空观是建立在存在无限大传播速度基础上的，而相对论时空观则建立在只存在有限的最大传播速度的基础之上的。
间和质量称为“基本量”，其他物理量，如速度、加速度、能量、动量等通称为“导出量”。可见时空的性质将严重影响其他所有物理量的性质以及所有物理规律的特征。现在我们又认识到，时空的绝对性或相对性问题实质上起源于光速的相对性或绝对性问题。光速究竟是相对的还是绝对的这个问题对于生活在17世纪的伽利略和牛顿来说，从未仔细想过。19世纪末，通过法拉第和麦克斯韦等物理学家的努力，建立了光的电磁理论；另一些科学家则设计了各种实验方案，发明了各种仪器，以便能精确测量光这类高速运动物质的速度。直到那时，物理学家才有条件真正认真地思考光和电磁波这类物质的运动速度是否满足伽利略一牛顿的速度相对性问题。大量精确度越来越高的实验结果表明，光的速度似乎完全不存在相对性。而是具有不变性，即光速不变是绝对的，而建立在光速不变基础上的时间空间则是相对的，这正是相对论时空观念区别于牛顿绝对时空观念的根本之处。牛顿的绝对时空观是建立在存在无限大传播速度基础上的，而相对论时空观则建立在只存在有限的最大传播速度的基础之上的。

探寻宇宙奥秘的讲堂，从牛顿苹果产生的力学顿悟，到爱因斯坦相对论，再到量子论，弦理论，让我从时间空间宇宙的概念来更好的了解宇宙的构造。每小段都配以优美的背景音乐，畅想遥远的时空带来心灵的涤荡。宇宙的构造

好像也是同时吧，火箭内时间变慢，跟A、B的相对性没有关系。或者说，地面上A、B两点的距离较高速运动的火箭可以忽略不计，则AB可以互换。