爱因斯坦的相对论相对于牛顿的时空观的变革在哪

爱因斯坦的相对论相对于牛顿的时空观的变革在哪

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。

爱因斯坦重新定义了时间，所以他的时间和速度，与牛顿不同。 爱因斯坦著《论动体的电动力学》 也许有人认为，用“我的表的短针的位置”来代替“时间”，也许就有可能克服由于定义“时间”而带来的一切困难。事实上，如果问题只是在于为这只表所在的地点来定义一种时间，那么这样一种定义就已经足够了；但是，如果问题是要把发生在不同地点的一系列事件在时间上联系起来，或者说——其结果依然一样——要定出那些在远离这只表的地点所发生的事件的时问，那么这徉的定义就不够 了。 当然，我们对于用如下的办法来测定事件的时间也许会成到满意，那就是让观察者同表一起处于坐标的原点上，而当每一个表明事件发生的光信号通过空虚空间到达观察者时，他就把当时的时针位置同光到达的时间对应起来。但是这种对应关系有一个缺点，正如我们从经验中所已知道的那样，它同这个带有表的观察者所在的位置有关。通过下面的考虑，我们得到一种此较切合实际得多的测定法。 如果在空间的a点放一只钟，那么对于贴近 a 处的事件的时间，a处的一个观察者能够由找出同这些事件同时出现的时针位置来加以测定，如果．又在空间的b点放一只钟——我们还要加一句，“这是一只同放在 a 处的那只完全一样的钟。” 那么，通过在 b 处的观察者，也能够求出贴近 b 处的事件的时间。但要是没有进一步的规定，就不可能把 a 处的事件同 b 处的事件在时间上进行比较；到此为止，我们只定义了“ a 时间”和“ b 时间”，但是并没有定义对于 a 和 b 是公共的“时间”。只有当我们通过定义，把光从 a 到 b 所需要的“时间”，规定为等于它从 b 到 a 所需要的“时间”，我们才能够定义 a 和 b 的公共“时间”。设在“a 时间”ta ，从 a 发出一道光线射向 b ，它在“ b 时间”, tb 。又从 b 被反射向 a ，而在“a时间”t`a回到a处。如果 tb-ta=t’a-t’b 那么这两只钟按照定义是同步的。