相对性原理与物理学规律

刘平

摘要：本文简要阐述了时空观的发展历史和与之相对应的相对性原理，并在此基础上讨论了物理学规律的协变性。

关键词：牛顿力学；狭义相对论；广义相对论；协变性

中图分类号：G642.4 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）41-0170-03

一、前言

从牛顿到爱因斯坦，人们对时空的观念经历了两个伟大的变革。牛顿的时空观是绝对时空观，对于这种时空观点人们几乎是默许的。到了爱因斯坦，时间和空间联姻了。时空与物质的运动也密不可分，甚至与物质的固有性质相联系。让人兴奋得是每一种时空观都有与之相对应的相对性原理。由此可见相对性原理在物理学中的重要地位。

二、相对性原理的发展

1.相对性原理。相对性原理的观念来自牛顿力学。牛顿第一定律的实质就是惯性系的存在，因而也称为惯性定律。牛顿力学的基本规律F=ma只对惯性系才成立。

这就是伽利略时空变换。容易验证，若牛顿力学规律对其中一个惯性参考系成立，那么对另外一个惯性参考系也成立。这称为牛顿力学规律对伽利略时空变换的协变性，也称为力学的相对性原理。

狭义相对论的建立最初来源于电磁学。麦克斯韦方程组对伽利略时空变换是非协变的。这个事实暗示了两种可能：一是相对性原理对电磁学不适用，从电磁规律看只有一个真正的惯性系；二是相对性对电磁学仍适用，然而伽利略时空变换或麦克斯韦方程组不是精确的规律，它需要修正。

这就是洛仑兹变换。从形式上看，若v<

2.惯性系疑难。无论是牛顿力学还是狭义相对论都只对惯性系成立，那么就引出两个问题：①自然界中哪些参考系是惯性系；②为什么惯性系在描述物理规律时具有优越性。无数事实证明地面实验室参考系像是一个惯性系，因为从牛顿力学以及狭义相对论得出的结论能够在实验室中实现。可是更精确的测量表明，它不是严格的惯性系。既然不存在真正的惯性系，爱因斯坦就提出：任意参考系在表述物理规律上都应该是等价的。这样，狭义相对性原理被推广了，称为广义相对性原理，惯性系的特权被取消了。

3.牛顿引力理论的困难。上文已提到在v<

4.相对论性的引力。引力有一个特点，它的强度与受力物体的质量成正比。因而它引起的加速度与受力物体的固有性质无关，惯性力恰好也具有这样的特性。那么，惯性系与引力有着本质的联系吗？如果惯性力是引力的一种表现，那么惯性力与引力对一切物理现象的影响都应该是不可区分的，否则它们本质上还是两种不同的力。惯性力来源于参考系的加速运动，基于此，爱因斯坦提出了等效原理。因为引力引气的加速度与运动体的固有性质无关，它仅依赖于该处引力场的情况，所以引力场的效果可以用空间的几何结构来描述。借助等效原理能论证，有引力场存在时的四维物理时空应当是弯曲的黎曼空间。刻画黎曼空间几何结构的度规张量起着引力势的作用。那么，度规张量对物质分布的依赖关系就成了广义相对论的核心内容。

三、时空观的演化与数学描述

牛顿的时空是绝对的时空，时间和空间各自独立，空间各向同性，时间没有方向。但一切宏观过程都是不可逆的，我们生活在一个时间有箭头的世界里。狭义相对论的时空观只是把时间和空间联系起来，构成了四维闵克夫斯基空间。而此时的时空仍然是刚性的、平直的时空。只有到了广义相对论由于引力的存在，时空才变的柔软弯曲了。

任何物理量都是用一组数来表示的，这组数的值一般与坐标的选择有关。研究这种数组与坐标变换的关系，导致了张量的概念。借助于张量相对论把物理规律表达为张量方程，使它在任一坐标下具有相同的形式。

因此洛伦兹公式满足相对论协变性的要求。至此我们已经阐明电动力学的基本规律包括麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式是适用于一切惯性参考系的物理学基本规律。

五、小结

由上述论述我们可以看出随着人类实践的发展，人们所揭示的物理规律也在不断深化。先发展起来的理论经受了无数实践的考验，我们称之为真理，尽管它存在的缺陷。而正是这些缺陷导致了物理学的革命，从而建立了新的理论体系，而旧的体系则要么作为新体系的一个特例，要么作为它的一个极限情况，可以说旧的体系被新的体系兼容了。另外，物质世界是普遍联系的，物理学往往在揭示了某种联系后而长足发展。时空的统一以及引力的理论就是很好的例子。

参考文献：

[1]俞允强.广义相对论引论[M].北京大学出版社，1997.

[2]郭硕鸿.电动力学[M].北京：高等教育出版社，2008.

[3]王永久.时间，空间和引力[M].长沙：湖南教育出版社，1993.

[4]狄拉克.广义相对论[M].北京：世界图书出版公司，2011.