爱因斯坦相对论的历史意义

相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由阿尔伯特·爱因斯坦创立。根据研究对象的不同可以分为狭义相对论和广义相对论。相对论的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无关。

狭义相对论和广义相对论的区别在于,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理规律,后者则推广到有加速度的参照系(非惯性参照系),在等效原理的假设下广泛应用于引力场。相对论极大地改变了宇宙和自然的常识概念,提出了“同时相对论”、“四维时空”、“弯曲时空”等新概念。它发展了牛顿力学,把物理学推向了一个新的高度。

相对论的历史意义在于:

运动中的尺子会变短:相对论的研究对象是高速运动的世界和超出人们日常经验的浩瀚宇宙。狭义相对论认为运动中的尺子会变短。当然,人在低速运动时不可能觉察到,但如果以每秒26万公里的速度运动,一米的尺子就会缩小到半米。狭义相对论表明高速旅行会使时间变慢。假设未来人们可以建造一艘接近光速飞行的飞船,从地球飞到遥远的星系。往返只有几年(按飞船上的时间),但在这段时间里,地球上已经过了几千年。

1915年,爱因斯坦将狭义相对论发展为广义相对论。广义相对论认为,没有物质的时空是平的,有物质的时空就变成了弯曲的,两点之间的距离因为物质的存在而被拉伸或挤压。一个直观的比喻是,一块水平拉伸的布应该是平的。当你把铅球放在布上时,布的表面会变得弯曲。这时,如果你把一个小玻璃球放在布上,它就会滚到铅球中央。同样,行星的质量弯曲了周围的时空,行星上的“引力”其实就是时空被弯曲的现象。根据广义相对论,美国物理学家《奥本海默》在1939年证明,如果恒星的质量集中在一个足够小的球体中,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后它会发生灾难性的坍缩,使那里的时空无限弯曲。这就是人们经常听说的。

理论催生原子弹:作为相对论的一个推论,爱因斯坦提出了著名的质能关系:能量等于质量乘以光速的平方。在这一理论的指导下,1939年,科学家发现了通过裂变将质量转化为能量并释放出巨大原子能的中子链式反应,进而制造出原子弹,后来又通过核聚变发明了氢弹。核电站、可控核反应堆加热系统等可以控制反应剧烈程度的核反应堆的和平利用,极大地改善了人们的生活。

全球定位系统也依赖于爱因斯坦的相对论。爱因斯坦指出,传统的时间概念只能在简单的条件下确定,当许多因素暂时联系起来时,传统的计时方法就会失去作用。因为全球定位卫星发出的信号是在不同的参考系中,时间和空间无法与地面同步。只有根据卫星和地面的原子钟不断调整时间,才能保证定位系统的精度。

1976年,物理学家威索特和莱文发射了一枚带有时钟的火箭进入太空。他们观察到这个钟比放在地球上的钟快1/10微秒。他们认为,为了未来的旅行,必须使用那些强度远高于地球引力的引力场,比如中子星引力场。如果飞船到达中子星,未来将会迈出一大步。