相对性原理及其对自然界定律的协变性要求--机械能守恒定律协变性疑难的解答

阐明狭义相对性原理的准确含义,批出它并不要求自然界每条定律都单独协变,但要求每条定律至少属于一个协变集合,给出最小协变集的求法。表明机械能守恒定律满足狭义相对性原理及其对自然界定律的协变性要求,还指出一切社会科学定律也都满足狭义相对性原理。     

相对论问答录之一

<正>问题一、狭义相对论建立在哪两条公理的基础之上?狭义相对论建立在"相对性原理"和"光速不变原理"这两条公理的基础之上。相对性原理是说,物理规律在所有惯性系中都相同。需要强调,这里所说的相对性原理已经是伽利略相对性原理的推广。伽利略相对性原理只针对     

空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革

 2005年是世界物理年,是年11月份,南开大学物理学院“今日物理”邀请中科院理论物理研究所资深研究员郭汉英老师作了题为《空间时间、引力和宇宙理论正在经历变革--大船、水桶、升降机、橡皮膜和暗宇宙》的讲座。讲座之后,“今日物理”活动组的徐光明、苗荣欣等同学对郭老师进行了专访,几经讨论,内容已经超出原来的讲座。现与郭老师一起整理成文,供大家参考。徐光明:郭老师,您好。非常感谢您在百忙之中来到南开物理系所作的精彩讲座,谢谢您对我们“今日物理”活动的支持!您的演讲深入浅出,使同学们受益匪浅。我们想就这个话题的讨论整理成稿,发表出来,作为世界物理年纪念活动的一部分,您看可以吗?     

再谈洛伦兹变换的推导

评论了仅仅依据光速不变假设和相对性原理推导洛伦兹变换公式的方法.     

Beltrami-de Sitter时空和de Sitter不变的狭义相对论

分析了在相对论体系中狭义相对性原理和宇宙学原理之间的关系以及Beltrami-de Sitter -陆启铿疑难.指出可以把狭义相对性原理推广到非零常曲率时空，在具有Beltrami度规 的de Sitter/反de Sitter时空中建立狭义相对论的运动学和粒子动力学. 在这类狭义相对 论中,相对于Beltrami坐标同时性，Beltrami坐标系就是惯性坐标系，相应的观测者为惯 性观测者; 对于自由粒子和光讯号, 惯性定律成立;可以定义可观测量,它们不但守恒而且还 满足推广的爱因斯坦关系.除了Beltrami坐标时同时性之外，对于共动观测, 还可以取固 有时同时性;此时，Beltrami度规成为Robertson-Walker型的度规，其3维空间是闭的,对 于平坦的偏离为宇宙学常数的量级.这表明,在这类狭义相对论中,相对性原理与“完美”宇 宙学原理之间存在内在联系,并不存在那些问题.进而,基于最新观测事实，重述了Mach原 理；指出对于Beltrami-de Sitter/反de Sitter时空，宇宙学常数恰恰给出惯性运动的起 源. 关键词： 狭义相对性原理 宇宙学原理 de Sitter不变的狭义相对论 Beltrami-de Sitter时空 同时性 Mach原理     

爱因斯坦与相对论体系

 一、爱因斯坦和他的奇迹爱因斯坦取得巨大成功,是自然科学史上最伟大的学者。1879年诞生在德国的一个小城的爱因斯坦,儿时几乎令家人失望。4岁才咿呀学语,几年后还是磕磕绊绊、举止迟钝,因而深受母爱,自幼练习小提琴,与其结为“终身伴侣”。在学校,他的“笨拙”倍受讥讽;他对死记硬背的形式课程毫无兴趣,甚至被学校除名。他喜爱数学和物理,不断在书海中寻求、思索,深受智慧和哲理的熏陶。18岁高考落榜,一年后才被录取,主修物理。他落拓不羁、独立思考、蔑视权威,几乎把精力全花在阅读和实验室。1900年,在教授不满中毕业;一毕业就失业的他,虽然张贴广告试图靠讲授数学与物理谋生,却开始进行科研。     

相对论能量正比于动质量的一般性证明

依据相对性原理,仅仅要求粒子的动量和能量在不同的惯性系中具有相同的函数形式,即可一般性地证明相对论能量必须正比于动质量.这一特性为相对论本身的自洽要求,而与线性时空变换的具体形式无关,也与光速不变的假设无关.依据这一特性,同时也一般性证明了质量守恒定律等价于能量守恒定律.     

相对性原理对普遍定律和非普遍定律参考系变换性质的不同要求——关于协变性疑难的进一步讨论

提出普遍定律和非普遍定律以及“协变”与“可导出”的明确定义，证明狭义相对性原理（及其伽利略近似）要求在惯性系变换下，自然界普遍定律是协变的，非普遍定律不协变但是“可导出”的，一切定律都服从相对性原理，从而进一步解答了由爱因斯坦，朗道关于狭义相对性原理的一种错误表述所引起的“协变性疑难”，还将有关结论推广到广义相对性原理情况。     

相对论与爱因斯坦的直觉思维

本文从爱因斯坦利用直觉思维建立狭义相对论和广义相对论的过程，说明直觉思维在创造科学研究中的作用。     

小谈广义相对论--"从低速到高速"之五

我们已介绍过狭义相对论；在那里爱因斯坦把牛顿的相对性原理推广到包括电磁现象，但还是指惯性系说的；各个参考系是相对做匀速运动的惯性参考系．对加速参考系又该如何呢？爱因斯坦在马赫思想的影响下提出：物理规律对所有参考系，不管是惯性系还是加速系，都应该是一样的．这个进一步推广了的相对性原理叫“广义相对性原理”．它是爱因斯坦广义相对论的一个基本原理．     

一般n阶特征量泛函的Euler-Lagrange方程及与定量因果原理、相对性原理和广义牛顿三定律的统一

本文获得了有各种相互作用的一般n阶特征量泛函,其耦合系数反映了不同特征量泛函之间的耦合强度.依据定量因果原理,导出了一般n阶特征量泛函的变分原理,获得了一般n阶特征量泛函的Euler-Lagrange方程,它的不同系数可拟合不同的物理现实,如从线性到任意n阶非线性物理系统,使复杂难解的任意n阶非线性物理系统变得具体可解.并获得了该对称变换下不变的m个的守恒量,以及它们之间的关系和统一描述.依据定量因果原理导出了相对性原理,证明了绝对加速参考系、牵连参考系和相对参考系的力都有来自加速度和质量变化的贡献.利用定量因果原理自然导出了广义牛顿第一定律和广义牛顿第二定律,而且还导出了一个新定律,即广义牛顿第三定律,亦即平移不变性系统合力为零定理.进而将研究结论应用于对银河系的修正引力势、分子势、夸克禁闭势等,且其结果与物理实验一致.     

《广义相对论入门讲座》连载②——广义相对论的物理基础

1狭义相对论的困难洛伦兹变换表明,时间和空间存在内在联系."能量动量张量"的表达式和"质能关系式"等表明,质量和运动不可分割.光速不变原理和相对性原理告诉我们,一切惯性系都是平权的,不可能测出相对     

相对论问答

郭汉英教授生前曾为我刊撰写过多篇有关相对论的文章,引起了读者广泛的兴趣,他曾建议我们就读者来信中所提的问题开展有关的讨论。这次,我们趁选登赵峥教授所著《相对论百问》的机会,请赵教授帮助回答读者来信中所提的一些问题,来开展有关相对论的讨论,作为对郭汉英教授多年来支持我刊的感谢与怀念,以慰他的在天之灵。     

惯性原理及其宇宙起源(上)

 常言说得好,没有规矩,不成方圆。没有基准,也就失去依据。什么是引进物理量和描述物理规律的规矩和基准呢?在力学和物理学中,惯性原理即对于惯性观测者以惯性运动和惯性系为基础的相对性原理,对于力学量和物理量的引进、力学和物理规律的描述,起着十分重要的基准作用。对于与空间、时间,其中物质和运动直接相关的力学量和物理量,以及相应的力学和物理规律而言,至少在引力相互作用可以不考虑的情形中是这样。事实上,惯性原理的这一基准作用,在牛顿力学和狭义相对论中都非常突出。早在我国汉代就有记载:“地恒动而人不知,譬如闭舟而行不觉舟之运也。”     

狭义相对论中的质量、能量与对称性

爱因斯坦狭义相对论引起物理学基本原理和基本概念的巨大变革。如果要列举除了相对性原理和光速不变原理之外最重要的变革,同时性的相对性、关于质量与能量的概念及其内在联系,应是首选。     

狭义相对论学习中学生的错误理解研究概述

狭义相对论作为经典物理与近代物理的分水岭,对学生认识科学本质具有深远的影响.然而实际教学与研究显示,学生对狭义相对论存在许多错误理解.为了解决这一问题,本文梳理了国内外关于狭义相对论学习的相关研究.根据狭义相对论的知识框架,总结了学生在狭义相对论学习中普遍存在的错误理解,并分析其背后的原因,以期为未来狭义相对论的教学与研究提供借鉴.     

惯性原理及其宇宙起源(下)

 四、常曲率空时惯性原理及其宇宙学意义常曲率空时相对性原理和德西特不变的相对论如何面对暗宇宙的尖锐挑战?为什么我们的宇宙在加速膨胀,一定不渐近平坦,而很可能具有一个正的极小宇宙常数,渐近于德西特空时?而按照通常的处理,德西特空时却带来一系列疑难;极小而又为正的宇宙常数也带来极大困惑。通行的看法是把宇宙常数等同于量子理论中“真空”的能量。可是,这样得到的宇宙常数值比观测值大了一百二十几个量级;考虑种种可能修正、包括超对称等等,也还要大几十个量级。理论与观测之间如此大的差别,前所未有。根本问题出在哪里?通常的作法是考虑种种动力学模型、修改引力场方程,甚至借助量子引力等等。     

声光多普勒效应公式的统一

 当波源与观测者之间有相对运动时,观测到的频率与波源发出的频率不同的现象称为多普勒效应,它是由奥地利物理学家多普勒于1842年首先发现的。     

谈洛伦兹变换的物理意义

 一由于将电动力学的麦克斯韦方程作伽利略变换时,方程不表现协变性,导致“以太”这一标准参考系在电磁理论中的引入,即光速只相对于“以太”这个标准参考系才是常量,而相对于以“以太”为参考系作匀速直线运动的一切参考系都不具备这样的性质。也就是说,麦克斯韦方程只对“以太”这一标准参考系成立。根据这一假设,在“空空如也”的空间中就必然填充着绝对静止的’以太”,并不难用光学测量发现地球在“以太”中的绝对运动,以证明’以太”这一标准参考系的存在。为此目的,迈克尔逊和莫雷做了精密的实验(著名的迈克尔逊--莫雷实验),却没有观测到地球的绝对运动,这就意味着在“空空如也”的空间中并不存在绝对静止的“以太”.     

电磁学以及相对性原理和狭义相对论的变革

19世纪的物理学在热力学、光学、电磁理论和统计力学等方面取得了重大进展。以至到19世纪末,不少学者以为物理学已经基本完成。著名物理学家迈克尔逊就认为：“当然无法绝然肯定物理科学不再会有像过去那么惊人的奇迹,但非常可能的是大部分宏伟的基本原理业已确立,而今后的进展仅在于将这些原理严格地应用于我们所关注的现象上。在这里测量科学的重要性就显示出来了——定量的结果比定性的结果更为可贵。一位卓越的物理学家曾经说过,物理科学未来的真理将在小数点六位数字上求索。”然而,恰恰是他为首的以太漂移实验的零结果和黑体辐射与理论的冲突,成为晴朗天空中的“两朵乌云”。