爱因斯坦建立广义相对论的思路

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1、维普资讯http://www.cqvip.com@13第22卷第6期临沂师范学院学报2000年l2月Vo1．22No．6JournalofLinyiTeachers’CollegeDec．2O()o文章编号：1009—6051(2000)06—0091—03爱因斯坦建立广义相对论的思路刘汉忠(济宁师专物理系，山东济宁，272025)O}2l／摘要：分析并阐述了爱因斯坦在狭义相时论基础上创建广义相时论的思路关键词：广义相时论；广义相时论两个基本原理；时空度规；多引力场方程因茸j：呈目于三中图分类号：04—09文献标识码：A协生重星爱因斯坦对人类科学事业做出了巨大贡献，他的每一项贡献都带有革

2、命的创造性，给人类的思想带来了伟大的变革，而且许多成就已经对自然科学的发展产生了深刻的影响，分析爱因斯坦在狭义相对论基础上创建广义相对论的思路，对我们学习爱因斯坦的思想方法大有俾益．1狭义相对论的局限性爱因斯坦于1905年9月在《物理纪事》上发表了《论动体的电动力学》这篇划时代的论文，宣告了狭义相对论的诞生．但随着研究的深入，爱因斯坦对自己建立的狭义相对论并不满意，他注意到了狭义相对论存在的两个重要的局限性：(1)“为什么惯性系在物理上比其他坐标系都特殊，都优越?”．在经典力学中，力学运动方程在不同的惯性系中是不变的，但在非惯性系中这一性质失效．然而，在经典力学中找不到实在的充分的理由来

3、说明为什么相对于惯性系和非惯性系来考察物体会有不同的表现，牛顿、马赫都曾意识到这个缺陷，并试图解决它，但没有成功．狭义相对论原理对这个理论问题同样做不出解答，爱因斯坦尖锐地意识到这一点，并认为这是经典力学、狭义相对论都“固有的认识论上的缺点”．⋯解决这个困难，出路只有两条：要么从理论上阐明惯性坐标系特殊、优越的物理原因，要么从理论上消除惯性坐标系特殊、优越的物理地位．爱因斯坦选择了第二条出路，就是扩大狭义相对论原理的物理内容1933年爱因斯坦曾回忆说：“如果速度概念只能有相对的意义，难道我们还固执地把加速度当作一个绝对的概念吗?”(2)狭义相对论原理与引力现象存在着矛盾爱因斯坦通过狭义相

4、对论，把电场与磁场统一起来，把质量和能量统一起来，把牛顿力学方程作了相对论修正，使之与麦克斯韦方程协调起来了；接着，爱因斯坦想把引力现象也纳入狭义相对论的范畴．他作了初步尝试后发现：物体的质量是它所含能量的量度，若物体的能量改变￡，那么质量也要改变s／c．按这个结论，物体的惯性质量将随其能量而变，落体的加速度同它的水平速度或者物体的内能有关．这不符合实验事实：在引力场中的一切物体都具有同一加速度1907年，爱因斯坦已经认识到：“在狭义相对论的框架里，是不可能有令人满意的引力理论．”2广义相对论两个基本原理的提出对于惯性质量和引力质量，通过伽利略、牛顿、Bessel等所进行的实验研究，尤其

5、是著名的Etitv~s扭摆实验，使人们得出结论：惯性质量恒等于引力质量．爱因斯坦决心以惯性质量与引力质量相等这一事实出发，寻求新的引力理论．在进一步认识了惯性力的本质是非惯性系加速度的反映之后，1907年，爱因斯坦在《关于相对论原理和由此得出的结论》一文中，首次提出了等效原理的假设：“引力场同参照系相当的加速度在物理上完全等价．”他说：“这个假说的启发性意义在于，它允许用一个均匀加速参照系来代替一个均匀引力场，而均匀加速参照系这种情况，从理论研究的观点看来，在一定程度上是可以接受的．”在上述文章中，爱因斯坦又把狭义相对性原理作了相应的推广，第一次正式提出：“迄今为止，我们只把相对性原理，

6、即认为自然规律同参照系的状况无关这一假设应用于非加速参照系．是否可以设想．相对性运动原理对于相互做加速运动的参照系也仍然成立?”他还利用均匀加速参照系与均匀引力场的等效性，研究了引力场对时空的影响．收稿日期：2000．10．18作者简介：刘汉忠(1948一)，男，山东济宁人，济宁师专副教授维普资讯http://www.cqvip.com92临沂师范学院学报第22卷3时空“柔性”度规概念的建立狭义相对论对于绝对时空观给予了有力的冲击，克服了同时性的绝对性及时间间隔与空间长度的测量与参照系运动状态无关的传统观念．但是，在同一参照系中，仍保持着统一的时间和长度的测量标准，即具有刚性的尺和同步的

7、钟．空间长度、时间间隔的测量，通常与坐标差对应．然而，根据等效原理及加速度运动的相对论，对于物理定律来说，不能仅限于满足洛仑兹变换的协变性(这对应于速度的相对性)，而应扩大为更普遍的非线性变换协变性(这对应着加速度的相对性以及与引力场之间的等效性)，即应把洛仑兹变换推广为非线性变换．爱因斯坦在谈到当时的认识情况时曾写道：“接受了等效原理所要求的非线性变换，对于坐标的简单的物理解释无可避免是致命的——那就是说，不能再要求：坐标差应当表