对绝对时空观和相对时空观的探讨

安全民

“你和一个漂亮的姑娘在公园的长椅上坐一小时,觉得只过了一分钟,你紧挨着火炉坐一分钟,却觉得过了一小时。这就是相对论。”爱因斯坦在一次回答公众对相对论的提问时如此说。虽为玩笑,但其中却包含着相对论最本质的东西。在经典力学看来绝对不变的时间间隔,在相对论看来会随着参照物的选取而不同(就像姑娘,火炉对时间感觉的影响)正是这一点,使相对论的时空观与经典物理的观点完全不同,经典物理的时空是绝对的,而相对论的时空是相对的。

绝对时空观是爱因斯坦以前的物理学家所普遍接受并广泛引用的。其原因在于绝对时空观是一种直观的、简单的、方便的时空观。他与大多数人对时空的看法相一致,绝对的时间和空间是与生俱来的,他就是那样的,人们可以借此绕过对神秘的时空的探讨而直接讨论问题并得到正确的结果。

正因如此,伽利略、牛顿等物理学家都接受了这种思想,并由此将绝对时空观下的经典物理推向了顶峰。

但是,经典时空观毕竟是一种未加验证的观点,他更像是“想当然”的想法。因此,19世纪末20世纪初遇到了严峻的挑战(迈克尔逊——莫雷实验令人费解的零结果,以太危机……),就在绝大多数物理学家忙于对经典物理进行修补时,一位瑞干专利局的三等文员勇敢地提出要想解决物理学的困难,必须放弃绝对时空观,代之以其他理论,他把这种理论称之为“相对论”。这个人就是爱因斯坦。

爱因斯坦用相对论向我们呈现了一幅与以往不同的景象:

时间间隔是相对的,空间间隔是相对的,同时性是相对的……,只有物理定律和真空中的光速是绝对的(在广义相对论中,光速也是变化的)。爱因斯坦以其大胆的设想,缜密的思维,使困扰物理学的难题迎刃而解:以太是不存在的(不需要也不必要)迈克尔逊——莫雷实验的零结果恰好验证了相对论……爱因斯坦用相对论轻而易举的解决了难题。

下面我们就一起走入相对论给出的时空观——相对时空观。

一、狭义相对论的时空观

狭义相对论建立在惯性参考系下,并依赖于两个假设:

1.爱因斯坦相对性原理

在不同的惯性参考系中,一切物理规律都是相同的。

2.光速不变原理

真空中的光速在不同的惯性参考系中都是相同的,与光源的运动和观察者的运动没有关系。

从这两个假设出发,爱因斯坦得出了与绝对时空观中完全不同的结论:空间和时间与物体的运动状态有关系,通过光速不变原理,爱因斯坦提出了著名的动钟变缓(运动的观察者的时钟将会比静止的观察者的时钟走得慢)与动尺缩短(相对观察者运动的物体的长度要比其相对观察者静止时的长度短)的结论。由于这个原因,坐在火车里的观察者测出的从A地到B地所用的时间实际上将少于1小时,而他测量的A、B两地间的距离将比100千米少。之所以如此,正是因为两个观察者的运动状态不同。同时爱因斯坦根据闵科夫斯基的提议提出了包含时间和空间的四维函数,将时间作为时空坐标的一个维,描述空间的函数(x,y,z)表示其他的三个维。这样就把时间和空间联系了起来,他们是平等的,都是四维空间的一个维。虽然狭义相对得出了时间空间与运动状态有关,从而具有相对性,提出了四维时空的观点。但他仍然没有根本的给出时空到底是什么,真正解决这个问题的是广义相对论。

二、广义相对论的时空观

在考虑万有引力之后,爱因斯坦提出了广义相对论。在广义相对论中,时空曲线是弯曲的,而万有引力就是弯曲的时间和空间,或者说时间和空间本质上就是万有引力。万有引力是物质产生的,因此时间和空间本质上是由物质产生的。物质的质量越大,他所产生的时空越弯曲。而所有的物体都在沿着时空曲线做着“直线运动”(由于时空曲线是弯曲的,因此我们看到的是曲线运动)。

由此看出,相对于绝对时空观相对时空观准确的指出了时空的本质,时空是紧密联系的整体,它由物质决定反过来又影响物质。通过相对时空观人们对时空观有了正确的认识,推动了人们对现代物理学的探讨。

作者单位:河北省唐山市丰南区第二中学