教學(xué)論文：狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的歷史背景

教學(xué)論文：狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的歷史背景

一.狹義相對(duì)論的歷史背景及重要實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)
19世紀(jì)末期物理學(xué)家湯姆遜在一次國(guó)際會(huì)議上講到“物理學(xué)大廈已經(jīng)建成，以后的工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷”。但是，他話(huà)鋒一轉(zhuǎn)又說(shuō)：“大廈上空還漂浮著兩朵‘烏云’，麥克爾遜－莫雷試驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難�！闭菫榱私鉀Q上述兩問(wèn)題，物理學(xué)發(fā)生了一場(chǎng)深刻的革命導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生。狹義相對(duì)論的兩條基本原理
以上這一段話(huà)提出了狹義相對(duì)論的兩條基本原理：
相對(duì)性原理：一切物理定律在所有慣性系中是等價(jià)的；
光速不變性原理：光在真空中的傳播速度為一常數(shù)c，與光源和觀測(cè)者的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)。
拋棄了被認(rèn)為是充滿(mǎn)空間的以太和絕對(duì)的時(shí)空觀。
洛倫茲變換
設(shè)慣性系K相對(duì)慣
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工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷”。但是，他話(huà)鋒一轉(zhuǎn)又說(shuō)：“大廈上空還漂浮著兩朵‘烏云’，麥克爾遜－莫雷試驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難�！闭菫榱私鉀Q上述兩問(wèn)題，物理學(xué)發(fā)生了一場(chǎng)深刻的革命導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生。
　　早在電動(dòng)力學(xué)麥克斯韋方程建立之日，人們就發(fā)現(xiàn)它沒(méi)有涉及參照系問(wèn)題。人們利用經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空理論討論電動(dòng)學(xué)方程，發(fā)現(xiàn)在伽利略變換下麥克斯韋方程及其導(dǎo)出的方程（如亥姆霍茲，達(dá)朗貝爾等方程）在不同慣性系下形式不同，這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)怎樣解釋?zhuān)拷?jīng)過(guò)幾十年的探索，在1905年終于由愛(ài)因斯坦創(chuàng)建了狹義相對(duì)論。
　　相對(duì)論是一個(gè)時(shí)空理論，要理解狹義相對(duì)論時(shí)空理論先要了解經(jīng)典時(shí)空理論的內(nèi)容。
狹義相對(duì)論研究慣性系問(wèn)題，要求物理定律在洛倫茲變化下保持形式不變。經(jīng)典電磁理論可以直接納入狹義相對(duì)論框架，而經(jīng)典力學(xué)經(jīng)過(guò)修改后在洛倫茲變換下大部分可以保持形式不變。在面對(duì)非慣性系問(wèn)題與萬(wàn)有引力定律時(shí),狹義相對(duì)論遇到了巨大的挑戰(zhàn)，意味著狹義相對(duì)論必須修改。1905年愛(ài)因斯坦就曾發(fā)表過(guò)一篇重力和加速度對(duì)光線(xiàn)產(chǎn)生影響的論文，蘊(yùn)含了廣義相對(duì)論雛形。以后的研究中，愛(ài)因斯坦果斷取消了慣性系在理論中的特殊地位。1912年，他又在另一篇論文中探討了將重力場(chǎng)用幾何的語(yǔ)言來(lái)描述。終于，在1915年愛(ài)因斯坦發(fā)表了場(chǎng)方程式，1916年建立了完整的廣義相對(duì)論。
廣義相對(duì)論把相對(duì)性原理推廣到非慣性參照系和彎曲空間，建立了新的引力理論。在深入研究了慣性力后，愛(ài)因斯坦提出了等效原理，把參考系問(wèn)題和引力問(wèn)題一同解決。廣義相對(duì)論認(rèn)為引力場(chǎng)影響時(shí)間和距離的測(cè)量�；诠馑俨蛔�?cè)恚瑢⒁忉尀樗木S時(shí)空曲率。并指出：非慣性系中時(shí)空是不均勻的。同一非慣性系中，沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)間，不能建立統(tǒng)一的同時(shí)性。廣義相對(duì)論讓人們知道了引力的復(fù)雜。廣義相對(duì)論取得巨大成就的同時(shí)，量子力學(xué)也取得了重大突破。物理學(xué)家很快發(fā)現(xiàn)了兩大理論的不相容性。量子力學(xué)是否完備也引發(fā)了EPR學(xué)派與哥本哈根學(xué)派的論戰(zhàn)，一直到現(xiàn)在。如何解決量子力學(xué)與相對(duì)論的兼容問(wèn)題，困擾了愛(ài)因斯坦后半生。廣義相對(duì)論和量子物理的定律統(tǒng)一，也是現(xiàn)代理論物理學(xué)家需要解決的至關(guān)重要的研究課題，建立一個(gè)完備自洽的量子引力理論還處于探索階段。
廣義相對(duì)論建立以后的半個(gè)世紀(jì)，并沒(méi)有受到充分重視。60年代，隨著中子星和3K宇宙背景輻射等天文現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)，廣義相對(duì)論研究得以迅速發(fā)展。廣義相對(duì)論對(duì)于研究天體結(jié)構(gòu)和演化以及宇宙的結(jié)構(gòu)和演化具有重要意義。中子星的形成和結(jié)構(gòu)、黑洞物理和黑洞探測(cè)、引力輻射理論和引力波探測(cè)、大爆炸宇宙學(xué)、量子引力及大尺度時(shí)空拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等問(wèn)題的研究正在深入，廣義相對(duì)論已成為這些問(wèn)題的理論基礎(chǔ)。廣義相對(duì)論所預(yù)言的空間幾何、_落體、引力場(chǎng)內(nèi)的時(shí)間膨脹、光的引力紅移和引力時(shí)間 ……（未完，全文共2332字，當(dāng)前僅顯示1482字，請(qǐng)閱讀下面提示信息。收藏《教學(xué)論文：狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論的歷史背景》）