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对狭义相对论时空观的认识 摘要：相对论是伟大物理学家爱因斯坦二十世纪初的杰作，是近代物理学的两大理论支柱之一，它的出现表征了时空观的伟大变革，为人类更好认识物质世界作出了卓越的成就。本文结合《电动力学》中关于相对论一章内容阐述了在狭义相对论下的时空观。主要从测量运动物体长度这个方面去认识狭义相对论的时空观，以说明长度收缩与时间膨胀是两个相互联系的相对论效应，时间与空间是一个不可分割的统一体，最终阐释狭义相对论的本质即其本质是在牛顿的三维绝对空间加一维时间 1. 光速不变原理：真空中的光速与光源或接由器的运动无关,在各个方向都等于一个恒量c c 2. 997925 ×108 米/ 秒 这就是说,在相对于光源作匀速直线运动的一切惯性参照系中,所测量的真空中的光速都相同。 2.相对性原理：在彼此作匀速直线运动的一切惯性参照系中,物理学定律是相同的。这就是说,在一个惯性参照系的内部,不能通过任何实验 力学的、电磁学的、光学的 测出该惯性参照系相对于其他惯性参照系的速度来。或者说,任何现象,对一切惯性参照系而言,进行的情况都是完全一样的。这两条基本原理形式虽然简单, 但内极其丰富。根据光速不变原理导致了关于时间、空间概念的重大变革,表明空间和时间不再是分离的。它们构成了一个整体, 而且与物质的运动有关空间和时间是物质的存在形式。根据光速不变原理可导出洛仑兹变换,真正赋予该变换以物理意义。 由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式，速度变换式等所有的狭义相对论内容。 狭义相对论时空观告诉我们：运动的杆会缩短，运动的时钟会变慢，同时是相对的。它是建立在洛仑兹变换之上，从根本上改变了古老的时空观。下面我们从测量一个运动物体的长度来说明长度收缩与时间膨胀是两个相互联系的相对论效应，从而使我们能更好地理解相对论原理。 测量静止物体的长度时，只须分别读出物体的坐标x1和x2，便可由L0 x2-x1得到物体沿x方向的长度。L0是物体的静长，其大小与物体两端读数的先后无关。而对于一个运动的物体，其长度的测量怎样进行呢？由于物体前后坐标x1和x2都在不断的变化，两端读数的先后不同和时间差的大小，都会影响测量的结果。为此，有必要规定一个统一的测量方法，作为测量运动物体长度或物体运 动长度的共同标准。这个标准就是“同时测量”。那么，能否按同时测量的规定，直接由光速不变原理得到与洛仑兹变换相符合的长度收缩结果？ 对于一个运动的物体，按同时测量的规定，可以通过理想实验得到与洛仑兹变换相同的长度收缩结果。设静长为L0的物体MN以匀速v沿x方向在地上行驶，下面从两种在地上测量物体运动长度L的方法来说明这一问题。 如图1，设物体前半部O点有一台闪光灯，在O点与地上O′点重合时分别向M、N方向发出红绿光。若地上的观察者测得红绿光同时达到M、N两端，并且在它们到达时分别记下M、N在地上的对应位置M′、N′，则L M′N′就是地上按同时规定测得的列车的运动长度。为了求得L与列车静长Lo的关系，假定红绿光在地面参照系中经相同时间达到MN后立即发生正反射，于是，在地面上看，从M、N反射回去的红绿光，仍将经历相同的时间和相同的路程重新在O′点会合。这样，红绿光的发出与会合，就成为地上同一O′点先后发生的两个事件。设其时间间隔为Δt，则M′、N′之间的距离，也即列车的运动长度为L cΔt。根据时间膨胀效应，在列车参照系中测量时，该两事件的时间间隔为Δt′ Δt/。应该注意，尽管红绿光的发出与会合在车上不是同一地点，但在Δt′时间内，两光的传播总路程仍是列车静长L0的两倍，而且每一条光的传播路程都等于L0，故L0 cΔt′ cΔt/ L/ ，由此可得出列车运动长度L Lo/ 。 再如图2，设列车前方N端于t1时刻经过地上M′点，列车后方M端于t2时刻经过同一M′。由于车速为v，在t2时刻，N应该前进v t2-t1 的距离到达地上N′点，于是，M′、N′就是地上于t2时刻同时确定的列车两端的位置，因此，L M′N′ v t2-t1 vΔt就是地上测量的列车运动长度，由于N、M′重合和M、M′重合是地上同一M′点先后发生的两个事件，该Δt应为地上参照系中的本征时间。在列车参照系中的观察者看来，是地上M′点以速率v沿反方向经过相距为列车静长Lo的N、M端，其时间间隔是Δt′ Lo/v，以v Lo/Δt′代入前式，可得L LoΔt/Δt′。Δt和Δt′为同样两事件在地上和列车参照系中的时间间隔，根据时间膨胀效应，应有Δt′ Δt/ ，故Δt/Δt′ ，也得L Lo 。 以上的讨论表明，长度收缩与时间膨胀是两个相互联系的相对论效应，没有时间的膨胀，也就没有长度的收缩，时间与空间是一个不可分割的统一体。 结语：综上我们来谈谈狭义相对论的本质狭义相对论是四维时空的数学框