1.14 对相对论启发作用的评估

在前面各节中，我们的思路可概述如下：经验在一方面使我们确信，相对性原理是正确的；在另一方面，光在真空中的传播速度被认为等于恒量c。把这两条结合起来，便得出有关构成自然界过程诸事件的直角坐标x、y、z和时间t在量值上的变换定律，这一点与经典力学不同，它不是伽利略变换，而是洛伦兹变换。

宇宙星空 合成图片

太阳只是银河系的1000亿个恒星之一。银河系只是局部集团中的许多星系之一。局部集团只是形成宇宙中最大已知结构的几千个集团和星系团之一。

光的传播定律是我们目前的知识可以接受的一个定律，它在我们的思考过程中起了重要的作用。可一旦有了洛伦兹变换，我们就能结合洛伦兹变换和相对性原理，将这个理论概括如下：

每一个普遍的自然界定律必须由以下正确严密的定理建立，若代替最初的坐标系K的空间—时间变量x、y、z、t是我们新引用的坐标系K′的空间—时间变量x′、y′、z′、t′，那么经过变换以后该定律仍与原来的形式完全相同。这里，带着重符号的量和不带着重符号的量之间的关系就由洛伦兹变换公式来决定，或简而言之，普遍的自然界定律对于洛伦兹变换是变异的。

星 象 合成图片

现在，天文学家们一致认为，太阳（A）大约离开中心（B）25000光年，在圆盘上离开星系平面68光年。外圆盘（C）在临近的厚度大约为1300光年。

这是相对论对自然界定律所要求的一个明确的数学条件。有鉴于此，在帮助探索普遍的自然界定律中，相对论具有极其宝贵的启发作用。如果发现一个具有普遍性的自然界定律并不满足这个条件的话，就证明相对论的两个基本假定之中至少有一个是不正确的。迄今为止，相对论究竟已经确立了哪些普遍性结果呢？现在让我们来看一看。

附〉〉〉狭义相对论的问题

爱因斯坦坚信世界的内在和谐，追求理论的逻辑统一，不能容许惯性系与非惯性系之间这种内在不对称情况的存在。解决这个难题的办法，就是把狭义相对论原理扩大到非惯性系统。

狭义相对论的另一个严重困难来自引力，因为它与牛顿的引力公式和引力势方程不相容。

牛顿的引力公式即是万有引力定律公式。

万有引力：宇宙间任何有质量的物体之间的相互作用。

万有引力定律：宇宙间的一切物体都是相互吸引的。两个物体间的引力大小，跟它们之间质量的乘积成正比，跟它们的距离的平方成反比。

万有引力公式：

式中，

G＝6.67× 10-11N·m2/kg2；G为万有引力恒量，M、m是两物体的质量；r为两物体的中心距离。

狭义相对论提出后，许多人曾致力于检验各种物理定律在洛伦兹变换中的协变性，他们都获得了成功。但是包括爱因斯坦本人在内，都发现一个问题：当把牛顿引力理论纳入到相对论理论之中时，却遇到了明显的矛盾。起初，爱因斯坦试图寻找一个描述引力场变化的结构定律。他在狭义相对论的框架内处理引力定律，以期推出引力的场定律。可是，研究的结果却出乎意料：落体的加速度与它的内能有关。这让爱因斯坦认识到，在狭义相对论的框架里，不可能有令人满意的引力理论。

宇 宙（左） 合成图片

我们现在观察到的宇宙，其边界大约有100多亿光年。它由众多的星系所组成。地球是太阳系的一颗普通行星，而太阳系是银河系中一颗普通恒星。我们所观察到的恒星、行星、彗星、星系等是怎么产生的呢？宇宙学说认为，我们所观察到的宇宙，在其孕育的初期，集中于一个很小、温度极高、密度极大的原始火球。在150亿年到200亿年前，原始火球发生大爆炸，从此开始了我们所在的宇宙的诞生史。

回旋加速器（右） 合成图片

回旋加速器的原理为利用磁场使运动中带电粒子回转，并利用电极间交错变换的正负电场，使粒子于回转中不断地获得能量。图中显示回旋加速器的基本构造，包含有加速电极、射频系统、气源、离子源、磁极、真空腔及导引电极等。

〉〉〉寻找第二个爱因斯坦

10道有趣的问题

一封来自美国普林斯顿大学的电子邮件中，10道没有标准答案的物理研究课题将激活人们的无限想象。

你喜欢科学或者不喜欢，这都不要紧，但希望你总还有点热情和好奇心。

“好奇心”就是下一个爱因斯坦诞生的起点。

模拟量子系统 合成图片

量子计算可用于研究高温高密度等离子体、量子色动力学、晶体固态模型、分子行为的量子模型等，而常规计算机不可能有效地模拟量子系统，因为它们的物理机制不同，用常规计算机模拟量子系统，所需的信息量和时间都远大于模拟经典系统。

1.让我有一个彩色的影子。每个人都有一个独一无二的影子，在印象中影子似乎只有黑色一种。世界上会有彩色影子吗？是否能依照自己的样子为自己设计出一个彩色的影子呢？

2.自制自行车里程计。汽车都有里程表，我们能不能给自行车也装个里程表呢？如何用机械或电子的方法将自行车轮的每一次转动自动记录下来，并将其转换成公里数？

3.自制一个能测液体密度的杆秤。我们平时遇到的一些液态商品的质量可能同其密度有关。给你一根杆秤，外加一些小配件，如何才能方便地测出液体的质量呢？

粒子加速器 摄影

带电粒子在电场中会受力而得到加速，提高自身能量，这是迄今为止的粒子加速器采用的原理，中性粒子不可能在这样的原理下得到加速。因此，粒子加速器应定义为：利用电磁场加速带电粒子的装置。粒子加速器可以加速电子、质子、离子等带电粒子，使粒子的速度达到几千公里/秒、几万公里/秒，甚至接近光速（光在真空中的传播速度是30万公里/秒）。根据相对论原理，加速器可以把带电粒子的速度增加到无限接近光速，但无论如何也达不到光速。

4.设计一个不受太阳位置变化影响的太阳灶。 太阳能是一种绿色可再生能源，但用太阳灶加热物品有个麻烦，那就是相对太阳灶来说太阳的角度在不停地变化。能不能设计一种太阳灶，让太阳不论在什么位置都有一个同样的焦点呢？

欧洲核子研究中心 摄影

始建于1954年9月的欧洲核子研究中心坐落在日内瓦附近，跨越法国和瑞士两国，是欧洲最大的高能物理研究机构。这是一个旨在探索“宇宙开始时最基本的东西是什么”等问题的纯科学的物理研究机构，也是当今世界上规模最大的科学实验室之一。

5.设计一套家庭节水方案。我国的水资源非常紧缺，节约用水是我们每个人的责任。作为一个家庭，如何用水更合理？

6.设计社区生活垃圾分检和回收方案。日常生活中会产生大量生活垃圾，有些有毒物会污染环境，能否利用各种垃圾不同的物理性质，设计一种分离装置方便地把垃圾分捡开来，将有用的部分回收，有毒的东西妥善处理呢？

7.设计一套以太阳能为主要能源的环保型家庭能源方案。作为一个现代人，又想环保又不想过原始人的生活。那么，一个现代化的家庭能否只用太阳能就可以生活呢？

8.设计一个自动关门装置。不用电机，不用弹簧，如何把开门的能量保存起一部分用来关门呢？

9.利用发光二极管设计一个不用电池的手电筒。发光二极管可是个好东西，发光效率高而且寿命还很长。让我们自己动手设计一个不用电池就能发光的手电筒吧。

10.设计一套调节吊车立柱高度的方案。 你见过建筑工地上的吊车立柱吗？它的升降大有学问。请利用相关知识，设计一套让它随意长高或变矮的方案吧。