从牛顿定律到爱因斯坦相对论

方历之

科学出版社

1987年第二版

前言

他们都是不受成见或传统思想所束缚的探索者。

坚持自然科学的研究方法。关心的是抽象问题，但并不进行思辨式空谈。

爱因斯坦：人只有献身于社会，才能找到那实际上是短暂而有风险的生命意义。

第一章 从亚里士多德到牛顿

时空观——亚里士多德的宇宙中心——牛顿时空观中的相对与绝对——马赫的批判

时空观

有些物理概念是很平凡的，但平凡的概念却往往是不简单的。空间和时间的概念就是如此。

在讨论物理学问题时，有一种正确的方法可能并不是从概念的“严格”定义出发，而是从分析各种概念之间的具体关系入手。时间和空间的问题并不在于它们的“纯粹”定义，而是它们之间的关系，以及它们与物质运动的种种联系。

时间具有相对性的属性。“同时性”也往往相对的。科学上的重大变革往往伴随着新时空观的产生。

亚里士多德的宇宙中心——地球是整个宇宙的中心，整个宇宙由环绕着地球的七个同心球壳组成。月亮、太阳、行星、恒星分别在不同的球壳上，它们都做完美的圆运动。这种观点相对于早期是一大进步，人们开始认为地球是平的。

树立球形的地球观念需要克服相当大的成见所带来的阻力。从时空观的角度来评价，可以说，亚里士多德的时空观是把“上”、“下”这两个方向相对化了。空间各方向是等价的，没有一个方向是具有特别的绝对优越的性质——这就是方向上的相对性。

但在这种时空观中——物体在宇宙中的位置具有关键的作用——空间的位置是绝对的，地球的球心就是宇宙的中心，每个物体都有各自天然位置，只要没有阻挡，每个物体都力图到达各自的天然位置。物体之所以会运动，其原因就是它们还没有到达各自的天然位置。

牛顿时空观中的相对与绝对——亚里士多德的时空观是在古希腊（la）人对自然认识的基础上发展起来的，它能适应于当时人们对自然现象的解释。以哥白尼——伽利略——牛顿为代表的新科学，在时空观上的特征就是否定了亚里士多德体系中空间位置的绝对意义。哥白尼否定了地球中心是整个宇宙中心这种绝对的意义。伽利略直接提出了相对性原理，牛顿发现苹果落地和月亮绕地球运行是由同一个原因引起的，并不是要回到它的天然位置。在牛顿的力学方程中没有宇宙中心的地位，任何时空点都是平等的。但牛顿的力学中仍然引入了绝对静止的空间和绝对不变的时间这两个概念。在《自然哲学的数学原理》中：“绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况无关，始终保持着相似和不变”、“绝对的、纯粹的数学的时间，就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无关”。

把“空间”设想成为物体作为机械运动的舞台和背景，是一种十分自然的抽象。——与任何物体无关——绝对的空间。牛顿是一个经验论者，不能容忍在他的体系中存在先验的观念。物理的实在必须是能被感知的。

马赫的批判——《发展中的力学》：抛开一些物质用所谓绝对空间来描述运动是不可能的，绝对空间是缺乏自然科学的意义的。

从亚里士多德的空间方向的相对性，到牛顿体系中的位置及时刻的相对性，再到马赫对绝对是空的批判，一代代自然科学家逐步拜托了人类关于时间与空间性质的种种不正确的成见，摆脱了似是而非的先验绝对性。

 

第二章 时间、空间和运动

时间的测量——长度的测量——事件和世界线——运动的相对性——速度的合成

 时间的测量

1967年，铯原子微波辐射周期T作为时间单位，1秒=9,192，631,770T

人体作为长度的单位，比如foot。氪原子波长，1米=1,650,763.763λ。

天文单位：地球到太阳的距离作为一个单位。

光年，9.5*10^15米。最近的一颗恒星为4光年。

第三章从经典的速度合成到光速不变

光学现象中的疑难——超新星爆发和光速——一以太假说——麦克尔逊-莫雷实验——光速是不变的——新的速度合成律——光速是极限——超光速问题——C的测量

j经典速度合成规律的正确性是有限度的。

先看到已将投出的球，然后才看到投球的动作——先看到后发生的事情。——但这种事情并没有发生过，也就是光速不满足速度合成公式。现实生活中，可以将光速看做无穷大就可以了。但在天体尺度上，光速不能被认为是无穷大的。

1054年宋仁宗至和元年五月，一颗超新星爆发，白天也可以看得到，直到1056年3月，才不能为肉眼看见，前后22个月，这次爆发的残骸就形成了著名金牛座中的星云。

理论工作的重要之点在于它能从一些个别的具体实验结果中抽取具有普遍意义的结论。光速的不变性与一般物体运动的速度有一个很大的差别。速度的相对性，及只有相对于一定的参照系才能谈速度大小。而光速则不然，对于一束光，观察者K来看是c,观察者KK开看，也是c。

经典物理中，速度合成v=v‘+u

对于光速，c=不变量

光速是极限——光速就成了物体运动的一个极限，这是光速的绝对性的另一方面的含义。

超光速问题——如果认为光速极限是有一切速度的极限，错了，光速只是物体运动速度的一种极限，或能量传递速度的一种极限。

基于甚长基线干涉仪，其分辨率相当于站在拉萨可以看清楚哈尔滨的一张邮票。

类星体的分离速度甚至可以达到10倍光速。

第一个尝试测量光速的是伽利略。

1675年，丹麦天文学家罗麦利用木卫阴影推算出光速为2*10^8。

1849年，法国物理学家斐索利用高速齿轮测定光速为299,796±4公里/秒。

 

第四章从伽利略相对性原理到狭义相对论

萨尔维阿蒂的大船——狭义相对论的两条原理——“同时”是相对的——谁先动手——因果关系

 

地动说，地静说——为什么人在地上一点也感觉不出来——伽利略《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》——伽利略的相对性——萨尔维阿蒂大船道出了一条极为重要的真理，即：从船中发生的任何一种现象，你是无法判断船究竟是在运动还是停止不动。惯性参考系。

第五章 鈡和尺的相对与绝对

牛顿时空观中的时和空——运动鈡的变慢——μ子的寿命——双生子佯谬——动尺的缩短——汤姆金斯先生的错误——洛伦兹变换

 

第六章 动力学问题

亚里士多德的力学——动者恒动——牛顿的力学规律——牛顿力学与光速极限的矛盾——惯性质量随速度的变化——懒惰=活泼——新一代的一块奠基石

 

第七章 从比萨斜塔到广义相对论

比萨斜塔上的实验——万有引力——水星近日点的进动——

的普适性——引力本性就是“没有引力”——局部惯性系——什么是引力？——爱因斯坦的引力场方程

 

第八章 从牛顿到后牛顿

后牛顿修正——行星近日点的进动——自转轴的进动——引力红移——光线弯曲——雷达回波的延迟

 

第九章 从经典的引力坍塌到黑洞

再谈强磁场条件——引力坍塌——强场天体再何处？——脉冲星是一种致密天体——中子星的结构——黑洞——黑洞是不毛的——临界质量——X射线双星

 

第十章 引力波的证实

爱因斯坦的语言——宇宙中心的引力波源——韦伯的实验——双星引力辐射阻尼——PSR1913+16——一个理想的相对论天空实验室——引力辐射阻尼的证实

 

第十一章 从牛顿宇宙到宇宙的膨胀

从有限有边到无限无边——牛顿无限宇宙的困难——“白痴”的问题——有限无边的宇宙——宇宙的膨胀——大爆炸宇宙学——天体的年龄——微波背景辐射——氦的丰度

 

第十二章 爱伊斯坦之后

对统一的追求——大统一和宇宙的极早期——引力和量子论——黑洞的发射——超统一和奇性