评析辨证唯物的时空观与牛顿时空观或相对论时空观的关系

评析辨证唯物的时空观与牛顿时空观或相对论时空观的关系摘要：哲学是关于自然知识、社会知识和思维知识的概括和总结，它和各门具体科学都有着一般和特殊的联系。哲学从总体上提示人与世界的关系，研究世界的本质和普遍规律；而各门具体科学只从某一方面、某一领域研究世界的具体规律。本文通过对辨证唯物的时空观、牛顿时空观和相对论时空观的全面阐述，并将它们进行对比，总结出了它们之间的关系。

关键字：辩证唯物主义狭义相对论相对论时空观牛顿时空观

一．辨证唯物时空观

辩证唯物主义不仅从哲学基本问题的高度对世界本质做出了科学的规定，而且在坚持物质性的同时，认为物质的固有属性是运动，时间和空间是物质运动的存在形式。马克思主义的物质观与运动观和时空观是紧密联系在一起的。

物质运动的持续性和顺序性，它表明一事物和另一事物、一运动过程和另一运动过程依次出现的先后顺序，一事物存在和一种运动过程的长短持续。时间的特征是一维性或不可逆性，因为事物变化作为过程从绝对性的意义上是不可重复的，永远从过去、现在到将来，按照这一个方向前进，通常人们所说的“机不可失，时不再来”，就是指出了时间的一维性。空间是运动着的物质广延和伸张性，任何事物都具有一定的规模、体积、形态和位置；多个事物之间具有前后、左右和上下之间方位上的并存关系。空间的特征是三维的，现实存在的任何物体都具有长、宽、高。设想仅有位置而没有体积的点，只有长度而无宽窄的线和无厚度的面，仅仅是数学的科学抽象，现实世界中并不存在这样的点、线、面。现代物理学使用的“四维世界”概念，反映着事物存在于一维时间和三维空间之中。

时间和空间是运动着的物质的存在形式，同运动着的物质不能分离。《马克思恩格斯选集》第3卷中指出“一切存在的基本形式是空间和时间，时间以外的存在和空间以外的存在，同样是非常荒诞的事情。”这表明运动着的物质不能脱离时间和空间。同样，时间和空间也不能脱离物质的运动，离开后者，前者就是空洞的抽象，就是纯粹的无。一方面，物质运动的展开就表现为时间和空间的形式。物质运动总有一个运动过程，要经历一定的时间，否则其速度就是无限的。科学实践告诉我们，即使具有最大速度的光，也不过每秒30万公里，所以脱离时间的物质运动是不可能的。同样，物质运动也离不开空间，任何物体都具有体积，处于一定的位置，就是微观粒子，也有其微小的直径。这足以说明物质运动也离不开空间。另一方面，时间和空间离不开运动着的物质。时间是靠物质在空间中的运动来度量的。年、月、日等时间单位，是靠天体在空间中的运动来加以确定的。同样，空间也是以物质在时间上的运动来衡量的。现代科学对空间更精确的测量使用激光测长观测仪，其尺度可达到0.1微米之内。脱离物质的运动，时间和空间就是只能在头脑中存在的空洞的观念。

时间和空间是运动着的物质的存在形式，与运动着的物质不可分离，而运动着的物质是客观的，所以作为其存在形式的时间和空间也是客观的。但是，时间性和空间的客观性不是从它们与物质脱离的意义上，相反，正是从它们作为物质存在形式的意义上去理解的。坚持时间和空间的客观性。康德认为，时间和空间是人类戌直观中的先天形式，人通过它感知事物，给予事物以时间和空间，客观唯心主义者黑格尔不但认为时间和空间是绝对观念的产物，而且割裂两者，提出绝对观念外化为

自然界，出现了空间，只有绝对观念达到精神阶段，才有了时间。形而上学唯物主义，从另一个极端歪曲地理解时空的客观性。如牛顿的时空观，把时间和空间同运动着的物质割裂开来，认为时间与物质运动无关，它绝对均匀地流逝着；空间是脱离物质的纯粹空虚的框子。坚持时空的客观性，就必须反对唯心主义，又批判形而上学。

承认时间和空间的客观性，就意味着承认时间和空间的绝对性。因为时空的绝对性是指它们作为运动着的物质的存方式，其客观实在性是不变的、无条件的，当然是绝对的。而时间和空间的相对性首先是指它们的具体特性是随物质形态、特性的变化而变化的。其次，人们的时空观念是承着认识的发展而不断深化的。上述理由都是指可变性、有条件性，即相对性。现代科学成就，特别是非欧几何和相对论，不仅证明了时间和空间的客观性，而且深刻地提示了时间、空间同物质的联系，时间和空间是绝对性和相对性的统一。时间和空间的绝对性和相对性统一，还表现在它们是无限性和有限性的统一。时间的无限性是指物质世界的一维持续无始无终，运动着的物质不能创造，也不能消灭。空间无限性是指物质世界三维无论延伸向何处，都不会有尽头。科学事实一再表明，宇观世界至大无外，微观世界至小无内。时间的有限性是指每一具体事物之存在和发展过程都是有始有终的。空间的有限性是指每一具体的事物总是有限的规模，处于特定的位置。时空的有限性和无限性的辩证统一表现在两者相互依存、包含和贯通。无数有限的时空的总和，构成整个宇宙无限的时空，而无限的时空既能通过有限的时空把自己表现出来，又把无数的有限包含于自身当中。有限时空是不仅具体事物有着无限的层次结构，而且有限事物由于自身包含着的否定因素会使之辨证转化，从而超越有限趋向无限。有限是有条件的、暂时的，因而是相对的；无限是无条件的、永恒的，因而是绝对的。时空的有限性和无限性就是这样既有相互排斥又相互贯通。

二．牛顿时空观中的绝对与相对

在《自然哲学的数学原理》一书中，牛顿写道：“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。”总之，在牛顿的时空观中，空间、时间和“外在的情况”这三者都是相互独立的，无关的，空间的延伸和时间的流逝都是绝对的。在这种意义上可以说，在牛顿的体系中仍然含有亚里士多德式的绝对。把“空间”设想成物体作机械运动的舞台和背景，是一种十分自然的抽象。我们在日常生活中有这样的经验：在一个箱子中可以放进一定数量的东西。这是箱子的一种性质。可以叫做箱子的容积，也就是箱子的空间。这个容积大小或空间大小是与箱子里放什么东西（以及放不放东西）没有关系的。在卖箱子的商店里，总是要标出26?20?10等等尺寸，之所以能这样标出，就是以容积是箱子的不受“外在的情况”影响的本性这一点为依据的。进一步我们设想箱子无限地扩大，这就得到了一个与任何特殊的物质无关的、绝对的空间。它就是牛顿的绝对空间。牛顿是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先验的观念。他认为：物理的实在必须是能被感知的。那么，如何来感知他所规定的“绝对空间”呢？牛顿设计了一个理想实验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。这就是著名的水桶实验。若有一桶水，让它做旋转运动。开始时桶壁旋转而水不运动，水与桶壁之间虽有相对运动，但水面却和静止时是一样的，是一个平面。以后水逐渐被桶壁带动并且和

桶壁一起旋转，此时虽然水与桶壁之间并没有相对运动，但水面呈凹形，桶边的水面略高，中间略低。因此，即使在水与桶没有相对运动的情况下。我们也可以判断出水桶体系究竟有没有相对于绝对空间的转动。这个判据是：若水面平坦，则无绝对运动，若水面呈凹形，则有绝对的转动。这就是牛顿提出的判别法。到这里，牛顿的体系似乎已经很严整了。然而事情并非如此。

在牛顿的力学定律（包括惯性定律）的表达里没有明确指明，所谓“静止”、“匀速直线运动”和“运动状态的改变”是对什么参考物体而言的．在牛顿力学中“力”是物体间的相互作用，这是与参考物体无关的，然而运动状态及其改变则与参考物体有密切关系．牛顿完全了解自己理论中存在的这一薄弱环节，他的解决办法是引入一个客观标准——绝对空间，用以判断各物体是处于静止、匀速运动，还是加速运动状态．牛顿承认，区分特定物体的绝对运动（即相对于绝对空间的运动）和相对运动，也非易事．不过，他还是提出了判据．譬如，用绳子将两个球系在一起，让它们保持在一定距离上，绕共同的质心旋转，从绳子的张力可以得知其绝对运动角速度的大小．

绝对空间在哪里？牛顿曾经设想，在恒星所在的遥远的地方，或许在它们之外更遥远的地方．他提出假设，宇宙的中心是不动的，这就是他所想象的绝对空间．从现今的观点来看，牛顿的绝对时空观是不对的．不过，牛顿当时清楚地意识到，要想给惯性原理以一个确切的意义，那就必须把空间作为独立于物体惯性行为之外的原因引进来．爱因斯坦认为，牛顿引入绝对空间，对于建立地的力学体系是必要的，这是在那个时代“一位具有最高思维能力和创造力的人所能发现的唯一道路”．

三．相对论的时空观

相对论分为广义相对论和狭义相对论。

（一）狭义相对论及其时空观：

狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。

（1）狭义相对论时空观要点及来源：

①同时的相对性：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，Δt’=0时，一般Δt≠0。称x’/c2为同时性因子。

②运动的长度缩短：由Δx=Δx’/γ+vΔt，因测量运动的长度时必须Δt=0，则Δx=Δx’/γ

≤Δx’。

③运动的钟变慢：由Δt=γ(Δt’+vΔx’/c2)，因运动的钟在自己的参照系中Δx’=0，则

Δt=γΔt’≥Δt’。

（2）狭义相对论时空观的具体分析：

1、同时的相对性

爱因斯坦认为：凡是与时间有关的一切判断，总是和“同时”这个概念相联系的。按相对论的说法，在某个惯性系中同时发生的两个事件，在另一相对它的运动的惯性系中，并不一定同时发生。这一结论叫做同时的相对性。例如有两个闪电正好击中一列向东行使的列车的车头和车尾（对地面上的观察都而言），而位于列车中间的旅客则是不是同时看到两个闪电的呢？

该问题其实告诉我们，Δt＝０，Δx≠０。则选择洛仑兹变换： t’= t－v x/c2 →Δt’=γ(Δt－vΔx/c2)＝－vγΔx/c2。显然因Δx=x2-x1>0，则Δt’=t2-t1<0。即先看到车头处闪电。举一个通俗的例子，如果我们军训，把指挥官下令卧倒，在地面上的人看到是同时战士是卧倒的，但在高速飞机上的乘客却看到不是同时卧倒的（忽略具体细节）。

2、长度收缩：

长度收缩有时被称作洛伦茨（Lorentz）或洛伦茨－弗里茨格拉德（FritzGerald）收缩。在爱因斯坦之前,洛伦茨和弗里茨格拉德就求出了用来描述（长度）收缩的数学公式。但爱因斯坦意识到了它的重大意义并将其植入完整的相对论中。这个原理是：参照系中运动物体的长度比其静止时的长度要短。那么是不是运动的人看起来就瘦些呢？用相对论的观点看的确这样。但定量分析就知道，人的运动速度太小，不能产生观察效果。这就是一般的经验不能接受相对论时空观的道理。另外，其实运动的长度是很难测量的，也是经验没有的。

3、时间膨胀：

运动的钟比静止的钟走的慢，称为时间膨胀。

最著名的关于时间膨胀的假说通常被成为双生子佯谬。假设有一对双胞胎哈瑞和玛丽，玛丽登上一艘快速飞离地球的飞船（为了使效果明显，飞船必须以接近光速运动），并且很快就返回来。我们可以将两个人的身体视为一架用年龄计算时间流逝的钟。因为玛丽运动得很快，因此她的“钟”比哈瑞的“钟”走得慢。结果是，当玛丽返回地球的时候，她将比哈瑞更年轻。年轻多少要看她以多快的速度走了多远。

时间膨胀并非是个疯狂的想法，它已经为实验所证实。最好的例子涉及到一种称为"介子"的亚原子粒子。一个介子衰变需要多少时间已经被非常精确地测量过。无论怎样，已经观测到一个以接近光速运动的介子比一个静止或缓慢运动的介子的寿命要长。这就是相对论效应。从运动的介子自身来看，它并没有存在更长的时间。这是因为从它自身的角度看它是静止的；只有从相对于实验室的角度看该介子，我们才会发现其寿命被“延长”或“缩短”了。

（二）广义相对论时空观

爱因斯坦提出“等效原理”，即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上(目前实验证实,在12

10的精确度范围内,仍没有看到引力

~

质量与惯性质量的差别)。根据等效原理，爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理，即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考

系中的测地线方程。测地线方程与物体自身故有性质无关，只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲，在弯曲的时空中，物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动)，如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动，实际是绕着太阳转，造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上，如果以直线运动，实际是绕着地球表面的大圆走。

四．牛顿时空观与相对论时空观

牛顿和爱因斯坦是人类历史上最伟大的两位物理学家。从他们提出的理论可以看出：他们的差别不仅仅是在方程、公式、定律和理论体系的差别，更重要的是在时空观上的差别，也就是对一个终极问题——未来究竟是否已被注定——的回答的不同。

狭义相对论，是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的）。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。在狭义相对论中，整个时空仍然是平直的、各向同性的和各点同性的，这是一种对应于“全局惯性系”的理想状况。狭义相对论将真空中光速为常数作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换。

牛顿的基本观点是宇宙中各处时间以相等的速率逝去，未来任何一点在任何时刻的状态都从一开始就被确定下来了。这虽然带有宗教宿命论的色彩，但听上去还是颇自然的事情。爱因斯坦重新解读了这种看似无懈可击的时空观，他认为时间是可快可慢的，这取决于你的速度，如果你的速度足够快，那么就有可能穿越时空到达未来。这听上去虽然是荒诞、令人难以置信的，但已被无数实验和现象证明是正确的。在宇宙空间站上生活了700多天的俄罗斯飞行员，当他回到地球上时，他的表针系统要比地球上快1/50秒，也就是说他进入了1/50秒后的未来世界。虽然这点时间可能微不足道，但如果人类能造出接近光速的飞行器时，那么这种时空现象就会有相当可观的影响了。

相对论时空观与牛顿时空观的比较如下：

（1）狭义相对论否定了牛顿力学的绝对时空观。

过去的物理学都是以牛顿力学为理论基础。牛顿时空观的基本思想是：

1）时间是均匀的，时间间隔是绝对的，即Δt ＝Δt’；

2）空间是各向同性的，长度是绝对的，即ΔL ＝ΔL’；

3）时间和空间是相互独立的，彼此之间没有任何直接联系。

似乎宇宙间存在着一个永远走动的大钟，在任何情况下，它的速率永远都是相同的，世界上的一切运动在时间上都是以它为度量的标准。Galileo变换正是经典时空观的集中体现。

狭义相对论否定了经典力学的时空观，建立了相对论的时空观，内容包括： 1）时间不是绝对不变的，而是具有相对性，时间间隔的度量与参照系的运动状态有关；

2）空间不是绝对不变的，也是具有相对性，空间间隔的度量是与参照系的运动状态有关；

3）时间与空间有着密切的联系，孤立的时间和孤立的空间都是不存在的。

Lorentz变换是相对论时空观的具体体现。

广义相对论的建立，近一步揭示出时空与运动着的物质是密不可分的，不存在脱离物质运动的绝对时间和绝对空间，换句话说，抛开物质的运动谈时间和空间是没有意义的。

（2）狭义相对论否定了牛顿力学中物体质量绝对不变的观点。

宏观物体在低速运动的情况下，物体的质量视为不变的；而当物体的运动速度可与光速相比拟时，狭义相对论明确指出：物体的质量不再为常量，而是随着物体的运动发生变化的。即当物体高速运动的时候,其质量会随物体运动速度的增大而增加，质速关系式清楚地揭示了这一变化关系。

(3)狭义相对论否定了牛顿力学中质量与能量互不相关的思想。

牛顿力学认为质量与能量是两个意义完全不同的物理量，彼此之间互不相关；而狭义相对论则认为质量与能量之间有着密切的关系，质能表达式便是很好的体现。而质能关系的建立，为新能源的开发提供了理论依据。裂变反应能和聚变反应能的利用，便是典型的事例。

（4）相对论与量子理论相结合，已建立起诸多的新兴学科、交叉学科和边缘学科。相对论量子力学、量子场论是相对论和量子理论相结合最具代表性的产物。其中量子电磁场理论已是当今世界相当精确的理论，理论预测与实验结果高度符合，很难想像在低能区相对论与量子力学之间存在着什么矛盾；在极高的普朗克能区，两者尚需进一步发展，其结果将会统一在新的理论之中。

（5）狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。

（6）广义相对论在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论，而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念，给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为完美的科学体系。

五．辨证唯物时空观与相对论时空观

相对论的创立，导致了人类时空观的一次重大变革，它将伽利略和牛顿以来的动力学时空观（绝对时空观）发展到了相对论时空观。

相对论时空观在物理学上有重大意义，它的建立突破了牛顿时空观的旧框框，正如爱因斯坦所说：“相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中严重和深刻的矛盾已经无法回避了。新理论的力量在于仅用几个非常令人信服的假定，就一致而简单地解决了所有这些困难……旧力学（指牛顿力学）只能对低速运动有效，从而成为新力学的极限情形。”

绝对时空观认为，时间和空间与物质的存在及物质的运动状态是没有联系的，时间和空间也是互不相关的。

相对论的建立，使人们在时空问题上耳目一新。相对论时空观指出，时间和空间与物质是密切联系的，它们与物质的运动状态有关，与物质本身的分布也有关，并

且时间和空间之间也是相互依赖的，这样在时空问题上，人们的认识产生了一个大飞跃。

在研究中，我发现，其实在哲学中也有与绝对时空观和相对论时空观相对应的观点：绝对时空观把时间和空间同物质运动分割开来，这是形而上学的观点；相对论时空观认为时间和空间是运动着的物质的存在形式，它肯定了它们同运动着的物质有着不可分割的联系，而这恰恰正符合哲学上辩证唯物主义的观点。历史已经证明，辩证唯物主义观才是真正科学的、完整的、符合自然规律的，正像相对论时空观最终取代了片面的绝对时空观。

（一）时间和空间的相对性

假定有人问我们，两个现象是否真正同时发生而不涉及任何出于某种状态的参考系，那么，这样的问题就像并不涉及任何观察点而问两颗行星是否真正处于一条直线上一样毫无意义。事实是这样的：同时性不仅决定于两个现象，而且决定于观察这两个现象时所处的参考系。就像两颗行星是否处于同一直线上，不仅决定于它们的方位，而且决定于观察它们的点。

在相对论创立之前，绝对的时空观在物理学中占着统治地位。在时间方面，绝对时空观认为：时间的量度与参考系的运动无关，也就是存在着与参考系无关的绝对时间。在空间方面，认为空间的量度同参照系的运动无关，也就是存在着同参照系无关的绝对空间。

但是，我们发现，时间和空间一样也是相对的，而不是绝对的。

其实，我们很难定义什么是时间。但是我们可以运用哲学的思维，知道什么不是时间，在什么条件下，时间的概念将会失去意义。第一，如果空间中的一切存在物停止位置的相对移动。也就是说，水不再流，鸟不再飞，风不再吹……等等。第二，如果一切存在停止自身对自身的变化。就是说，一切植物、动物不再生长，岩石不再衰变，原子不再分裂……等等。试问，如果这两种情况发生，也就是说，如果一切运动都被停止、取消，那么时间的概念是否还仍具有意义？如果没有运动，如果没有变化，时间的概念是否还仍然存在？显然，在这种条件下，时间的概念是没有意义的。这就表明，时间与动、与变的过程相统一。实际上，“空间是存在物的现时存在的抽象，而时间则是动与变的进程（累积的、递进的）的抽象。”

所以，在“同一时间”这一概念，正与“在同一地点”一样，都是没有意义的概念。这就是说，必须对一个特定的参照系来论述时间或者空间。

我发现，以上观点正好可以用辩证唯物主义的一个论述来概括：时间和空间是物质运动存在的形式。

唯物论认为世界统一于物质。辩证唯物论进一步认为，物质的运动是物质自身的属性。那么，也就是说，物质和物质的运动是万事万物的基础和决定性因素，于是时间和空间作为构成这个世界的两个因素，就必然要服从于物质和物质的运动。而爱因斯坦的理论正好对此进行了验证。

（二）速度有其极限

第二次世界大战前，飞机的速度远远落后于声速。今天，超音速飞机早已出现。无线电波以光的速度传播。那么，我们能否创造出“超光速”电讯设施来传递信息呢？现在看来，这是根本不可能的。

假如能够用无限大的速度传递信息，那么我们就能够建立这样的一种理论：任

何两个时间的同时性是绝对的。

如果关于第一个事件的信息与关于第二个事件的信息同时到达，我们可以说，这两个事件发生在同一时刻。这样，两个事件的同时性这一概念，就变成绝对的，而不考虑与这一结论有关的参照系的运动情况如何。

但是，正如上文中所提到的，实验证明时间的绝对性是不可能的。由此，我们得出结论：信息的传递不可能是瞬时的。从空间一点传到另一点的信息传递速度，不可能大于某一极值，该极值即为速度的极限。这一速度极限等于光速。

相对论表明，最高速度的存在决定于物质的内在本质。假定说，科学技术的发展，可使我们得到比光速更大的速度，这就像下面的说法一样荒唐可笑：在地球表面两万公里以外的地方并不存在任何点，但是如果有人竟希望有朝一日当地球上地形发生变迁的时候，在更遥远处发现地球上的新点，这显然是十分荒唐可笑的。正由于光速是最大速度，才使光速在自然界中发挥如此特别的作用。光速或者可以超过其他一切现象的传播速度，或者至少同其他现象的速度相同。

这里，我想用自己的一些哲学观点对此进行解释。时间是不可逆的，我想这应该是绝大多数哲学家都承认的观点。那么，如果存在超光速，我们不妨把它设想为一种超光速飞船（设其速度为ｖ），于是人乘坐它离开地球一定距离ｓ后，所用时间为ｔ＝ｓ／ｖ，人看到的是地球上ｔ＇＝ｓ／ｃ之前的情形，由于光的传播速度ｃ慢于飞船的飞行速度ｖ，即ｃ＜ｖ，则有（ｓ／ｃ）＞（ｓ／ｖ），即ｔ＇＞ｔ，于是人将看到离开地球之前的景象，这也就意味着时光的倒流，而这是绝对不符合逻辑和常理的（对于时间的不可逆，哲学可以从理论上论证，但好像还不能从试验中论证）。

（三）质量与能量的转换

爱因斯坦在狭义相对论的研究里提出了一个非常著名的公式：Ｅ＝mc2，即质能转化公式。

无独有偶，恩格斯在《自然辩证法·导言》的结束语中曾有这样一段话：“这是物质运动的一个永恒的循环。……在这个循环中，物质的任何有限的存在方式，无论是太阳还是星云，个别的动物或动物种属，化学的化合或分解，都同样是暂时的，而且除永恒变化着、永恒运动着的物质，以及这一物质运动和变化所依据的规律外，再没有什么永恒的东西。但是，不论这个循环在时间和空间中如何经常地和如何无情地完成着，不论有多少百万个太阳和地球长生和灭亡，不论要经历多长时间才能在一个太阳系内而且只在一个行星上造成有机生命的条件，无论有无数的有机物一定产生和灭亡，然后具有能思维的脑子的动物才能从它们中间发展出来，在一个短时间内找到适于生活的条件，然后又残酷地被消灭，我们还是确信：物质在它的一切变化中永远是同一的，它的任何一个属性都永远不会丧失。因此，它虽然在某个时刻一定以铁的必然性毁灭自己在地球上的最美的花朵——思维着的精神，而在另外的某个地方和某个时刻一定又以同样的铁的必然性把它重新产生出来。”

这便是事物的质和量的对立统一的理论，而这种辨证的唯物主义观点与爱因斯坦的质能转化理论不谋而合。

参考资料：

[1] 马克思主义哲学原理，王宏波，陕西人民出版社

[2] 马克思主义哲学原理，肖前，中国人民大学出版社

[3] 爱因斯坦的相对论讲了哪些内容？

https://www.wendangku.net/doc/7b19065903.html,/content/1/content21617.htm

[4] 牛顿时空观是啥？https://www.wendangku.net/doc/7b19065903.html,/question/5391826.html

[5] 牛顿的绝对时空观

https://www.wendangku.net/doc/7b19065903.html,/staticres/2004/gzpd/jxzy/04-05shang/wl/3/17/renjiao/1/kzz l5.htm

[6] 爱因斯坦提出的狭义相对论的时空观的主要内容是什么？

https://www.wendangku.net/doc/7b19065903.html,/question/15668431.html

狭义相对论的时空观

4.3 狭义相对论的时空观 4.3.1 同时的相对性 光速相对于所有惯性系中的观测者以不变的速率传播，其惊人的结果是:时间一定是相对的。 1 “同时”的定义 设A 、B 两处发生两个事件，在事件发生的同时，发出两光信号，若在A 、B 的中心点同时收到两光信号，则A 、B 两事件是同时发生的。这就是用光前进的路程来测量时间，而这样定义的理由就是光速不变，这样的定义适用于一切惯性系。 2 爱因斯坦理想的 “火车对钟实验” 设有一列火车相对于站台以匀速向右运动，站台上的观测者测得当列车的首尾两点与站台上的A ，B 两点重合时，站台上的A ，B 两点同时发出一个闪光，所谓“同时”，就是两闪光同时传到站台上的中心点C 。但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点先接到来自车头方（即站台上的A 点）的闪光，后接到来自车尾方（即站台的B 点）的闪光。于是对于列车上中点的观察者来说，A 点的闪光早于B 点。就是说，对于站台参照系是同时的事件，对于列车参照系就不是同时的，即事件的同时性是相对的。 在一个惯性系中的两个同时事件，在另一个惯性系中观测不是同时的，这是时空均匀性和光速不变原理的一个直接结果。 3 同时的相对性 设在惯性系S 中,在不同地点同时发生两事件,时空坐标分别为（x 1，0，0 ，t ）和（x 2，0，0，t ），则根据洛仑兹变换式（4-4a ），有 2221'11c u c ux t t -- =, 2222'21c u c ux t t --=，即()012 2122 '1'2≠---=-c u x x c u t t 讨论 1 从上可知，在某一惯性系同时不同地发生的两个事件，在另一惯性系中观测则是不同时发生, 这就是狭义相对论的同时相对性。同时相对性的本质在于在狭义相对论中时间和空间是相互关联的。若u 沿x 轴正方向，且12x x ->0,则0' 1' 2<-t t ,可得出结论，沿

比较相对论时空观和牛顿经典时空观

比较相对论时空观和牛顿经典时空观，浅谈科学发展中的肯 定与否定 “天地万物之逆旅，光阴者百代之过客”，人类生存于天地之间，漫步于时间长河，对于时间与空间的思考萦绕于一代又一代人的心头。随着人类文明的发展，人们对时空观的认识也在不断变化，在这其中相对论时空观和牛顿经典时空观是公认的科学史上有很大影响力的时空观，下面我就对这二者进行比较，谈一谈人类科学发展中的“肯定”与“否定”。 首先，从理论基础来看这两个时空观。这两个时空观是建立在不同的理论基础之上的。牛顿的经典时空观是以经典力学为基础建立起来的，爱因斯坦提出的相对论时空观是以光速c不变为理论基础。 其次，从内容来看这两个时空观。由于二者理论基础的不同，这也就决定了这两个时空观内容的截然不同。这就像种下两个种类不同的种子，那最后长出来的东西肯定是不同的。这两个时空观对时间和空间与物质的关系看法不同。牛顿经典时空观是绝对时空观，认为时间和空间与物质及其运动无关，时间坐标系和空间坐标系是完全脱离物质而独立存在的，时间间隔和空间间隔在不同的惯性系中保持不变，即时间空间观念与物质运动状态无关。而相对论时空观认为有物质才有时间和空间，时间和空间与物体的运动状态有关。这两个时空观对时间与空间的关系看法也不同。牛顿经典时空观认为时间和空间彼此无关，独立各自。而相对论时空观则恰恰相反，它认为两个时间在不同的惯性系看来，它们的空间关系是相对的，时间关系也会是相

对的，时间和空间不是互相独立的而是彼此不可分解的整体，只有空间和时间联系在一起才有意义，光速c是建立不同惯性系间的时间和空间变换的纽带。 毋庸置疑，事实是唯一的，然而这两个时空观却给出了迥然不同的答案。我们是不是能够肯定一方而否认另一方呢？我认为不能。虽然相对论时空观得到了大多数人的认可，但我们不能否定牛顿经典时空观。它为科学的发展做出了重要的贡献。自十七世纪，牛顿力学不断发展并取得巨大成就，以牛顿力学为基础建立了天体力学和应用力学等等。从地面上的各种物体运动到各种现代化交通工具以及天体的运动，都服从牛顿力学规律，这充分说明了牛顿力学规律的正确性。值得指出的是，牛顿的力学为十八世纪的工业革命及其之后的机器生产准备了科学理论。马克思曾经认为，在十八世纪臻于完善的力学是“大工业的真正科学的基础。”毫无疑问，当时这个“科学的基础”的最主要而且也是最重要的部分是牛顿的力学。牛顿的经典力学体系和他的方法论使物理学在十八、十九世纪期间得以迅速发展，并成为那时理论物理学的纲领或规范。迄至今日，人们关于自然过程的物理认识都可以看作是牛顿思想的一种系统的发展。到十九世纪末，牛顿经典力学在解释新实验事实时遇到了困难。相对论的提出成功的解决了这一问题，揭露了时间和空间某种普遍而新颖的联系，引起了人类时空观的变革，为现代科学技术的发展奠定了牢固的基础。这两个时空观各有其各自的价值，没有谁对谁错，我们不能单纯的肯定与否定。这看似不符合逻辑，但在很多时候我们是不能简单的肯定或否定的，

7.5相对论时空观与牛顿力学的局限性 — 人教版(2019)高中物理必修第二册学案

第七章第5节相对论时空观与牛顿力学的局限性 【学习目标】 1．感受牛顿力学在高速世界与事实的矛盾，知道牛顿力学只适用于低速、宏观物体的运动。知道相对论、量子论有助于人类认识高速、微观领域。 2．知道爱因斯坦狭义相对论的基本假设，知道长度相对性和时间间隔相对性的表达式。 3．了解宇宙起源的大爆炸理论，知道科学真理是相对的，未知世界必将在人类不懈的探索中被揭开更多的谜底。 【课前预习】 一、相对论时空观 1．爱因斯坦两个假设： (1)在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是_________的; (2)真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是_________的。 2．时间延缓效应：如果相当于地面以v运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt， 则Δt=____________。由于1?(v c )2<1，所以总有Δt>Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 3．长度收缩效应：如果与杆相对静止的人测得杆长是l0，沿着杆的方向，以v相对杆运动的人 测得杆长是l，则l=_________。由于1?(v c )2<1，所以总有l

相对论时空观问题

一、时空概念的危机 物理学是研究物质的最简单运动规律的科学，其最终目的是：找到物质运动、变化与相互作用的内在联系，以最少的假设，通过分析、推理解释所有相关实验结果，预言新的实验现象。 在各自领域内都分别取得极大成功的量子力学和相对论，是20世纪物理学乃至整个自然科学的两大支柱，但是，在人们企图把它们结合的时候却遇到了难以克服的困难。 大量实验证实，非定域性是量子力学的一个基本属性，但是，非定域性将意味着超光速传播，这与狭义相对论的基本假设矛盾。 当前，量子引力理论中的超弦理论的时空背景相关性，与圈量子引力理论中的时空背景无关性同时存在，是物理学中潜在的对于时空本质不同态度的一次大碰撞，这种困难预示着物理学需要一次概念的变革，首当其冲的就是时空。时空观念是物理学中最基本的也是最重要的概念，不同的时空观念将导致不同的理论研究方向，任何对于时空概念的更新和深化，势必对整个物理学产生巨大的革命性的影响。 “爱因斯坦时间膨胀”和“洛仑兹长度收缩”，是支撑相对论时空变换和相对论整个演绎推理的基础。 为了比较物质运动的快慢程度，人们用“速度”这一概念来描述物质的运动状态，而为了定义“速度”这一导出概念，又必须引进两个更基本的概念：“时间”和“空间”。 比如，一个人在时间t内跑过的路程是s，则他的速度是:v=s/t 更具体些，比如，有甲和乙两个人，甲在时间12秒内内跑过的路程是120米，则甲的速度是: V甲=120米/12秒=10米/秒 乙在时间10秒内内跑过的路程是110米，则乙的速度是: V乙=110米/10秒=11米/秒 由此我们可知：乙跑得比甲快。 在这里，描述空间的路程是如何定义的呢？这个好办，只要大家统一约定一米有多长就行了，制作这个一米长的标准尺之后，就可以复制许多把与标准尺一样长的尺子，如果把一米分成100份，则每一份的长度成为厘米；如果再把一厘米分成10份，则每一份的长度成为毫米…… 那么，时间又是如何定义的呢？ 时间自古就作为最基本的概念引入到人们的日常生活中。在日常生活中，我们是采用地球围绕太阳公转一周作为时间“年”的单位、月球围绕地球公转一周作为“月”的单位、地球自转一周作为“天”的单位。在科学上，1967年第十三届国际计量大会，采用以原子内部辐射频率为基准的时间计量系统，按新规定，“秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间的跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间”。 可以看到，不论在生活中还是在科学中，我们对时间的定义都是采用“物体运动变化”的某种周期作为时间定义的方案。这种“周期”必须是稳定的，人们对“周期”的测量必须是准确的，由此而得到的“时间”概念才能够具有客观性、可操作性。 由此看出，我们为了描述“物体的运动变化”，必须定义“时间”这一概念，但为了定义“时间”这一概念，又必须借助“物体运动变化”的某种周期。这种做法显然已经陷入了循环逻辑这一“泥潭”。这也充分说明，虽然“时间”的概念对人们来说有些模糊因而不十分准确，但人们定义的“时间”概念必定与“物体的运动变化”密切相关，不可分割。

(2019人教版)高中物理必修第二册：7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 学案

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 学案 1．了解牛顿力学时空观，初步了解相对论时空观。 2．了解时间延缓效应和长度收缩效应。 3．认识牛顿力学的成就和局限性。 1.相对论时空观 (1)绝对时空观：时间与空间都是□01独立于物体及其运动而存在的，也叫□ 02牛顿力学时空观。 (2)爱因斯坦的两个假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是□ 03相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是□ 04相同的。 (3)同时的相对性：根据爱因斯坦的假设，如果两个事件在一个参考系中是同时的，但在另一个参考系中□ 05不一定是同时的。 (4)爱因斯坦假设的结果 ①时间延缓效应 如果相对于地面以v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作 的时间间隔为Δt ，那么两者之间的关系是Δt ＝□06Δτ 1－? ????v c 2，由于1－? ????v c 2<1，所以总有Δt □ 07>Δτ。 ②长度收缩效应 如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测 得杆长是l ，那么两者之间的关系是l ＝□ 08l 0 1－? ????v c 2，由于1－? ?? ??v c 2<1，所以总有l □ 09

2．牛顿力学的成就与局限性 (1)牛顿力学的成就 牛顿力学的基础是□11牛顿运动定律。牛顿力学在□12宏观、□13低速的广阔领域里与实际相符，显示了牛顿运动定律的正确性和牛顿力学的魅力。 (2)牛顿力学的局限性 ①物体在以接近□14光速运动时所遵从的规律，有些是与牛顿力学的结论并不相同的。 ②电子、质子、中子等微观粒子不仅具有粒子性，同时还具有□15波动性，它 们的运动规律在很多情况下不能用牛顿力学来说明，而□16量子力学能够很好地描述微观粒子运动的规律。 ③基于实验检验的牛顿力学不会被新的科学成就所否定，而是作为某些条件 下的□17特殊情形，被包括在新的科学成就之中。当物体的运动速度□18远小于光速c时，□19相对论物理学与牛顿力学的结论没有区别；当另一个重要常数即普朗克常量h可以忽略不计时，□20量子力学和牛顿力学的结论没有区别。相对论与量 子力学都没有否定过去的科学，而只认为过去的科学是自己在□21一定条件下的特殊情形。 判一判 (1)原子的运动能用牛顿力学描述。() (2)长度收缩效应是指物体的实际长度变短了。() 提示：(1)×原子是微观粒子，不能用牛顿力学描述，要用量子力学描述。 (2)×长度收缩效应是因为相对运动引起的观测效应，实际长度不变。 想一想 洲际导弹的飞行速度可达6000 m/s，地球绕太阳公转的速度是3×104 m/s，这两个速度在相对论中属于高速还是低速？ 提示：相对论中的高速是可以与光速相比拟的速度，6000 m/s、3×104 m/s的速度都远远小于光速，都属于相对论中的低速。 课堂任务相对论时空观

大学物理第4章 狭义相对论时空观习题解答改

习 题 4-1 一辆高速车以0.8c 的速率运动。地上有一系列的同步钟,当经过地面上的一台钟时,驾驶员注意到它的指针在0=t ,她即刻把自己的钟拨到0'=t 。行驶了一段距离后,她自己的钟指到6 us 时,驾驶员瞧地面上另一台钟。问这个钟的读数就是多少？ 【解】s)(10) /8.0(16/12 2 2 0μ=-μ= -?= ?c c s c u t t 所以地面上第二个钟的读数为 )(10's t t t μ=?+= 4-2 在某惯性参考系S 中,两事件发生在同一地点而时间间隔为4 s,另一惯性参考系S′ 以速度c u 6.0=相对于S 系运动,问在S′ 系中测得的两个事件的时间间隔与空间间隔各就是多少？ 【解】已知原时(s)4=?t ,则测时 (s)56 .014/1'2 2 2 =-= -?= ?s c u t t 由洛伦兹坐标变换2 2 /1'c u ut x x --= ,得: )(100.9/1/1/1'''82 22 2202 21012m c u t u c u ut x c u ut x x x x ?=-?= --- --= -=? 4-3 S 系中测得两个事件的时空坐标就是x 1=6×104 m,y 1=z 1=0,t 1=2×10-4 s 与x 2=12×104 m,y 2=z 2=0,t 2=1×10-4 s 。如果S′ 系测得这两个事件同时发生,则S′ 系相对于S 系的速度u 就是多少？S′ 系测得这两个事件的空间间隔就是多少？ 【解】(m)1064 ?=?x ,0=?=?z y ,(s)1014 -?-=?t ,0'=?t

0)('2=?- ?γ=?c x u t t 2c x u t ?=?? (m/s)105.182?-=??=?x t c u (m )102.5)('4?=?-?γ=?t u x x 4-4 一列车与山底隧道静止时等长。列车高速穿过隧道时,山顶上一观察者瞧到当列车完全进入隧道时,在隧道的进口与出口处同时发生了雷击,但并未击中列车。试按相对论理论定性分析列车上的旅客应观察到什么现象？这现象就是如何发生的？ 【解】S 系(山顶观察者)瞧雷击同时发生,但车厢长度短于山洞长度,故未被击中。 'S 系(列车观察者)瞧雷击不同时发生。虽然车厢长度长于山洞长度,但出洞处先遭 雷击,入洞处后遭雷击,此时车尾已经进入山洞。故未被击中。 4-5 一飞船以0.99c 的速率平行于地面飞行,宇航员测得此飞船的长度为400 m 。(1)地面上的观察者测得飞船长度就是多少？(2)为了测得飞船的长度,地面上需要有两位观察者携带着两只同步钟同时站在飞船首尾两端处。那么这两位观察者相距多远？(3)宇航员测得两位观察者相距多远？ 【解】(1))(4.5699.01400/12 2 2 0m c u l l =-=-= (2)这两位观察者需同时测量飞船首尾的坐标,相减得到飞船长度,所以两位观察者相距就是56.4 m 。 (3)上的两位观察者相距56.4 m,这一距离在地面参考系中就是原长,宇航员瞧地面就是运动的,她测得地面上两位观察者相距为 )(96.799.014.56/12220m c u l l =-=-= 所以宇航员测得两位观察者相距7.96 m 。 4-6 一艘飞船原长为l 0,以速度v 相对于地面作匀速直线飞行。飞船内一小球从尾部运

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案

7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性学案 [学科素养] 1.了解相对论时空观，知道时间延缓效应和长度收缩效应. 2.认识牛顿力学的成就，适用范围及局限性. 3.了解科学理论的相对性，体会科学理论是不断发展和完善的. 一、相对论时空观 1.19世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c . 2.1887年迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速度变换关系不符(填“相符”或“不符”). 3.爱因斯坦假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的. 4.时间延缓效应 (1)如果相对于地面以v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt ，那么两者之间的关系是Δt ＝Δτ 1－(v c )2. (2)Δt 与Δτ的关系总有Δt ＞Δτ，即物理过程的快慢(时间进程)与运动状态有关.(填“有关”或“无关”) 5.长度收缩效应： (1)如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是l ，那么两者之间的关系是l ＝l 01－(v c )2. (2)l 与l 0的关系总有l ＜l 0，即运动物体的长度(空间距离)跟物体的运动状态有关.(填“无关”或“有关”) 二、牛顿力学的成就与局限性 1.牛顿力学的成就：牛顿力学的基础是牛顿运动定律，万有引力定律的建立与应用更是确立了人们对牛顿力学的尊敬. 2.牛顿力学局限性：牛顿力学的适用范围是低速(填“高速”或“低速”)运动的宏观(填“宏观”或“微观”)物体.

相对论时空观

狭义相对论的时空观 摘要：相对论是近代物理学的两大理论支柱之一，是我们进入大学以来，第一次接触牛顿经典力学以外的新的理论体系。而狭义相对论中的时空观给了我们极大的震撼，让我们明白了牛顿时空观虽然承认时间和空间的客观性但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的，在麦克斯韦方程建立以及明确了光速的恒定性和最大性后这种把时间和空间看做作是脱离物质运动而独立存在的观点显然不再正确。本文阐述了在狭义相对论下的时空观。通过分析牛顿时空观的不足之处来说明狭义相对论下时空观存在的道理，并最终阐释狭义相对论的本质即其本质是在牛顿的三维绝对空间上再加一维时间。通过本文的论述，有利于理解狭义相对论神奇而平凡的一面。 关键词：相对论光速不变洛伦兹变换式 牛顿在他的《原理》一书中写道：“绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事物的，它永远是相同的，不变的。绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动的，不依赖于任何外界事物。” 牛顿绝对时空观承认时间和空间的客观性，但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的。这在当时引起了一些科学家和哲学家的思考和怀疑。在十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后，绝对时空观更面临着严峻的局面。按麦氏方程中存在的常数c，表明电磁波或光在真空中沿各个方向均以不变的速度c传播，这与伽利略相对性原理发生了矛盾。因为据绝对时空观的经典速度合成定理，在不同惯性系中，光的传播速度不应在各个方向均相同。似乎只有在某一特殊参考系中，麦氏方程才取标准形式，光才在各个方向上均以c传播。人们曾引入“以太”假设，认为“以太”充满宇宙空间并绝对静止，光是“以太”介质中的波动。相应于“以太”的惯性系就是那个特殊参考系。然而，尽管人们赋予“以太”各种各样光怪陆离的性质，仍难自圆其说。且反复实验的结果都是否定的，根本发现不了“以太风”。相反却证明了在任何惯性系中光速都是不变的。迈克尔孙和莫雷原本是千方百计地想观察地球的运动对光的传播速度的影响，他们还认为光是一种在被称为“以太”的媒质中运动的波。这样，它的表现就应该像在池塘表面上运动的水波那样。 当时人们还认为，地球也是在穿过这种以太媒质运动的，很像是一艘在水面上运动的小船。在小船上的乘客看来，小船激起的涟漪朝着小船运动方向向前扩展的速度，要比涟漪向后扩展的速度慢一些，因为在前一种情况下要从涟漪原来的速度减去小船的速度，而在后一种情况下却要把两个速度相加起来。我们把这叫做速度相加定理。但是，迈克耳孙和莫雷却发现，地球的运动对光速根本没有任何影响，不管在哪一个方向上，光的速度都是完全相等的。这个奇怪的结果使他们产生了一种想法：也许是非常不巧，在他们进行那个实验的时候，

15.狭义相对论的基本原理及其时空观

《大学物理》练习题No.15 狭义相对论时空观及动力学基础班级____________ 学号__________ 姓名_________ 成绩________ 一、选择题 1. 静止参照系S中有一尺子沿x方向放置不动，运动参照系S'沿x轴运动,S、S'的坐标轴平 行.在不同参照系测量尺子的长度时必须注意[ C ] (A) S'与S中的观察者可以不同时地去测量尺子两端的坐标. (B) S'中的观察者可以不同时，但S中的观察者必须同时去测量尺子两端的坐标. (C) S'中的观察者必须同时，但S中的观察者可以不同时去测量尺子两端的坐标. (D) S'与S中的观察者都必须同时去测量尺子两端的坐标. 2. 下列几种说法： (1) 所有惯性系对一切物理规律都是等价的. (2) 真空中，光的速度与光的频率、光源的运动状态无关. (3) 在任何惯性系中，光在真空中沿任何方向的传播速度都相同. 其中哪些正确的？[ D ] (A) 只有（1）、(2)是正确的. (B) 只有（1）、(3)是正确的. (C) 只有（2）、(3)是正确的. (D) 三种说法都是正确的. 3. 边长为a的正方形薄板静止于惯性系K的xOy平面内，且两边分别与x轴、y轴平行， 今有惯性系K'以0.8c（c为真空中光速）的速度相对于K系沿x轴作匀速直线运动，则从K'系测得薄板的面积为[ B ] (A) a2.(B) 0.6a2.(C) 0.8 a2.(D) a2/ 0.6. 4. 在某地发生两件事，静止位于该地的甲测得时间间隔为6s，若相对甲以4c/5(c表示真空 中光速)的速率作匀速直线运动的乙测得时间间隔为[ A ] (A) 10s.(B) 8s.(C) 6s.(D) 3.6s. (E) 4.8s. 5. (1) 对某观察者来说,发生在某惯性系中同一地点,同一时刻的两个事件,对于相对该惯性系 作匀速直线运动的其它惯性系的观察者来说,它们是否同时发生? (2) 在某惯性系中发生于同一时刻,不同地点的两个事件,它们在其它惯性系中是否同时发 生? 关于上述两问题的正确答案是: [ A ] (A) (1)一定同时, (2)一定不同时. (B) (1)一定不同时, (2)一定同时. (C) (1)一定同时, (2)一定同时. (D)(1)一定不同时,(2)一定不同时. 6.圆柱形均匀棒静止时的密度为ρ0，当它以速率u沿其长度方向运动时，测得它的密度为ρ，

高中物理经典时空观与相对论时空观-例题解析-文档

经典时空观与相对论时空观-例题解析 1.着重体会从绝对时空观无法解释光的传播问题出发，进而提出狭义相对论假设的思想方法. 2.相对论的两个假设无法直接加以验证，但是由它导出的一系列结论却都与实验相符，这种“间接证明”的方法是科学研究中的重要方法. 3.要紧抓住“两个假设”，只有深入理解了这两个“假设”的含义，才能理解应用其他各种相对论效应. 4.要重新科学理解“同时”的含义. 5.注意相对论中各种效应都是相互的. 例如，一把尺子相对地面高速运动时，地面上的观察者测量到尺子的长度变短.如果尺子在地面上不动,而观察者相对于地面高速运动，那么观察者测量到的尺子长度和观察者不运动时相比仍然是缩短的. 时钟变慢的效应也有和“尺缩效应”一样的性质. 6.注意“运动的尺子变短”只是在运动方向上变短，其他方向不变. 【例1】 一只完全密封而不透明的船正在静水中匀速航行，船内的人能够感知船在运动吗？能够测量船的航行速度吗？如果船是加速航行呢？ 解析：如果船是真正的匀速航行，船内的人又无法以船外的物体为参考系，则无法感知船在运动，更不可能测量船的速度.这是伽利略相对性原理的要求. 如果船是加速或减速航行，船内的人完全可以利用牛顿定律测量出船的加速度，但依然不能测量出船的瞬时速度. 【例2】 根据相对论理论，一尺子相对参考系静止时长为L 0，当它以速度v 匀速运动时，参考系上的人测量该尺子的长度将变为： L =L 022 1c v -(c 是光在真空中的传播速度) (5－1) 称之为长度收缩公式. 如果一观察者测得运动着的米尺长0.5 m(米尺的静止长度为1 m)，问此尺以多大的速度接近观察者？ 解析：由L =L 022 1c v -得： v =c 20 2 1L L -=c 25.01-=0.87c =2.6×108 m/s. 【例3】 根据相对论理论,如果地球上的时钟走过了时间t ，那么，以速度v 相对地球运动的飞船上的时钟走过的时间t ′则为： t ′=t 22 1c v -(c 是光在真空中的传播速度) (5－2) 通俗地说，就是运动的时钟变慢了. 设想飞船在甲乙两个相距8亿千米的星球间飞行，甲、乙两星球及飞船上各有一个巨大的钟，现飞船相对星球以0.75c (c 是真空中光速)的速度离开甲星球飞向乙星球，飞船经过甲星球时，三个钟均调整指到3：00整.问，当飞船飞过乙星球的瞬间，飞船内的人看到乙星球上的钟和飞船上的钟分别指向多少？ 解析：在乙星球的观察者看来，飞船飞越的时间为：

高中物理必修2-7.5 相对论时空观与牛顿力学的局限性-导学案答案

相对论时空观与牛顿力学的局限性 【学习目标】 1．知道以牛顿运动定律为基础的经典力学的适用范围。 2．知道相对论、量子力学和经典力学的关系。 3．通过对牛顿力学适用范围的讨论，使学生知道物理中的结论和规律一般都有其适用范围，认识知识的变化性和无穷性，培养献身于科学的时代精神。 【学习重点】 了解经典力学的局限性 【学习难点】 了解相对论、量子力学与经典力学的关系 【新知探究】 一、自主学习 1．“同时”的相对性 （1）经典物理学认为：如果两个事件在一个参考系中是同时的，在另一个参考系中一定也是 相同 的。 （2）狭义相对论的时空观认为：同时是相对的，即在同一个参考系中不同地点同时发生的两个事件，在另一个参考系中不一定是相同的。 2．时间间隔的相对性 （1）经典物理学认为：某两个事件，在不同的惯性系中观察，它们的时间间隔总是_相同的_______的。 （2）相对论的时空观：某两个事件，在不同的惯性参考系中观察，它们的时间间隔是_不同__的。 设τ?表示相对事件发生地静止的惯性系中观测的两事件的时间间隔，t ?表示相对事件发生地以速度v 高速运动的参考系中观测的同样两事件的时间间隔，则它们的关系是 Δt ＝Δτ 1－? ????v c 2 ，即运动时钟会变慢。 3．长度的相对性 （1）经典的时空观：一条杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同。

（2）相对论的时空观：“长度”也具有相对性，一条沿自身长度方向运动的杆，其长度总比静止时的长度小。与杆相对静止的人认为杆长为0l ，与杆相对运动的人认为杆长是l ，那么两者之间的关系是l 0= 1－? ?? ??v c 2，即运动长度会收缩。 二、合作学习 【问题1】经典力学在哪些领域不能适用？能说出为什么吗？举例说明。 结论：经典力学在微观领域和高速运动领域不再适用；在不同参考系中不能适用；在强引力的情况下，经典的引力理论也是不适用的。 因为微观粒子（如电子、质子、中子）在运动时不仅具有粒子性，而且还具有波动性，经典力学不能说明这种现象，所以它不再适用，同时在高速运动领域，由于物体运动速度太快，要导致质量发生变化，而经典力学认为质量是不变的，所以经典力学在高速运动领域内也不再适用。 【问题2】经典力学的适用范围是什么？ 结论：宏观物体，低速运动。 【问题3】相对论和量子力学的出现是否否定了牛顿的经典力学？应该怎样认识？ 结论：相对论和量子力学的出现并没有否定牛顿的经典力学，它们只是在不同情况下采用的不同研究方法，经典力学在微观领域、高速运动的情况下不再适用，而量子力学也不适用于宏观、低速运动的物体。 【学习小结】 1．爱因斯坦的两个假设 相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。 2．时间延缓效应 3．长度收缩效应 4．经典力学只适用于解决低速运动问题，不能用来处理高速运动问题，经典力学只适用于宏观物体，一般不适用于微观粒子：经典力学只适用于解决弱引力问题，不能用来处理强引力问题。 【精练反馈】 1．判断下列说法是否正确。 （1）一根杆的长度不会因为观察者是否与杆做相对运动而不同，这是经典物理学家的观

《相对论时空观与牛顿力学的局限性 第1课时》教学设计【人教版高中物理必修2(新课标)】

5 相对论时空观与牛顿力学的局限性 教学目标 1. 了解狭义相对论的两条基本假设，了解狭义相对论和广义相对论提出的历史背景。 2. 了解尺缩钟慢效应，经历分别以地面为参考系和以μ子为参考系计算μ子寿命的过程。 3. 知道牛顿力学的适用条件和局限性。 教学重难点 教学重点 狭义相对论的两条基本假设、尺缩钟慢效应、牛顿力学的局限性 教学难点 狭义相对论的基本假设、应用洛伦兹变换分析相关问题 教学准备 多媒体课件 教学过程 新课引入 教师活动：展示时钟塔的图片。 教师活动：我们之所以能看到物体，是因为有光进入了我们的眼睛。设想，你以乘坐电车以光速远离时钟塔，你看到的时钟塔时钟的指针应该是怎样的？实际上时钟塔的指针应该是怎样的？ 讲授新课 一、相对论时空观 教师活动：讲解狭义相对论提出的历史背景。 19 世纪，英国物理学家麦克斯韦根据电磁场理论预言了电磁波的存在，并证明电磁波的传播速度等于光速c。人们自然要问：这个速度是相对哪个参考系而言的？一些物理学家对这个问题进行了研究。在实验研究中，1887年的迈克耳孙—莫雷实验以及其他一些实验表明：在不同的参考系中，光的传播速度都是一样的！这与牛顿力学中不同参考系之间的速

度变换关系不符。 在牛顿力学理论与电磁波理论的矛盾与冲突面前，一些物理学家仍坚持原有理论的基础观念，进行一些修补的工作，而爱因斯坦、庞加莱等人则主张彻底放弃某些与实验和观测不符的观念，如绝对时间的概念，提出能够更好地解释实验事实的假设。 教师活动：讲解狭义相对论的两条基本假设。 狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，物理规律都可以表示为相同的形式。 光速不变原理：真空中的光速在不同的惯性参考系中大小都是相同的。 教师活动：讲解同时的相对性。 在经典力学中，时间是绝对的，时间均匀流逝的。两者之间是独立的。 在经典力学的，两个事件在某一参考系中同时发生，那么在其他任意的参考系中这两个事件也是同时发生的。 在相对论中，时间和空间是不可分割的。时间和空间都是相对的，两个事件是否同时发生也是相对的。 假设一列火车沿平直轨道飞快地匀速行驶。车厢中央的光源发出了一个闪光，闪光照到了车厢的前壁和后壁。车上的观察者以车厢为参考系，因为车厢是个惯性系，光向前、后传播的速率相同，光源又在车厢的中央，闪光当然会同时到达前后两壁。 对于车下的观察者来说，他以地面为参考系，因闪光向前、后传播的速率对地面也是相同的，在闪光飞向两壁的过程中，车厢向前行进了一段距离，所以向前的光传播的路程长些。他观测到的结果应该是：闪光先到达后壁，后到达前壁。因此，这两个事件不是同时发生的。 教师活动：讲解尺缩钟慢效应。 如果相对于地面以v 运动的惯性参考系上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间隔为Δτ，地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为Δt ，那么两者之间的关系是 t ?= (1) 由于v Δτ，此种情况称为时间延缓效应。 如果与杆相对静止的人测得杆长是l 0，沿着杆的方向，以v 相对杆运动的人测得杆长是

评析辨证唯物的时空观与牛顿时空观或相对论时空观的关系

评析辨证唯物的时空观与牛顿时空观或相对论时空观的关系摘要：哲学是关于自然知识、社会知识和思维知识的概括和总结，它和各门具体科学都有着一般和特殊的联系。哲学从总体上提示人与世界的关系，研究世界的本质和普遍规律；而各门具体科学只从某一方面、某一领域研究世界的具体规律。本文通过对辨证唯物的时空观、牛顿时空观和相对论时空观的全面阐述，并将它们进行对比，总结出了它们之间的关系。 关键字：辩证唯物主义狭义相对论相对论时空观牛顿时空观 一．辨证唯物时空观 辩证唯物主义不仅从哲学基本问题的高度对世界本质做出了科学的规定，而且在坚持物质性的同时，认为物质的固有属性是运动，时间和空间是物质运动的存在形式。马克思主义的物质观与运动观和时空观是紧密联系在一起的。 物质运动的持续性和顺序性，它表明一事物和另一事物、一运动过程和另一运动过程依次出现的先后顺序，一事物存在和一种运动过程的长短持续。时间的特征是一维性或不可逆性，因为事物变化作为过程从绝对性的意义上是不可重复的，永远从过去、现在到将来，按照这一个方向前进，通常人们所说的“机不可失，时不再来”，就是指出了时间的一维性。空间是运动着的物质广延和伸张性，任何事物都具有一定的规模、体积、形态和位置；多个事物之间具有前后、左右和上下之间方位上的并存关系。空间的特征是三维的，现实存在的任何物体都具有长、宽、高。设想仅有位置而没有体积的点，只有长度而无宽窄的线和无厚度的面，仅仅是数学的科学抽象，现实世界中并不存在这样的点、线、面。现代物理学使用的“四维世界”概念，反映着事物存在于一维时间和三维空间之中。 时间和空间是运动着的物质的存在形式，同运动着的物质不能分离。《马克思恩格斯选集》第3卷中指出“一切存在的基本形式是空间和时间，时间以外的存在和空间以外的存在，同样是非常荒诞的事情。”这表明运动着的物质不能脱离时间和空间。同样，时间和空间也不能脱离物质的运动，离开后者，前者就是空洞的抽象，就是纯粹的无。一方面，物质运动的展开就表现为时间和空间的形式。物质运动总有一个运动过程，要经历一定的时间，否则其速度就是无限的。科学实践告诉我们，即使具有最大速度的光，也不过每秒30万公里，所以脱离时间的物质运动是不可能的。同样，物质运动也离不开空间，任何物体都具有体积，处于一定的位置，就是微观粒子，也有其微小的直径。这足以说明物质运动也离不开空间。另一方面，时间和空间离不开运动着的物质。时间是靠物质在空间中的运动来度量的。年、月、日等时间单位，是靠天体在空间中的运动来加以确定的。同样，空间也是以物质在时间上的运动来衡量的。现代科学对空间更精确的测量使用激光测长观测仪，其尺度可达到0.1微米之内。脱离物质的运动，时间和空间就是只能在头脑中存在的空洞的观念。 时间和空间是运动着的物质的存在形式，与运动着的物质不可分离，而运动着的物质是客观的，所以作为其存在形式的时间和空间也是客观的。但是，时间性和空间的客观性不是从它们与物质脱离的意义上，相反，正是从它们作为物质存在形式的意义上去理解的。坚持时间和空间的客观性。康德认为，时间和空间是人类戌直观中的先天形式，人通过它感知事物，给予事物以时间和空间，客观唯心主义者黑格尔不但认为时间和空间是绝对观念的产物，而且割裂两者，提出绝对观念外化为

高中物理 6.3相对论时空观同步练习(含解析)新人教版选修3-4

第3节相对论时空观 1．狭义相对论的时空观认为同时是相对的，在相隔一定距离发生的两件事，在一个参考系观测是________发生的，在相对于此参考系运动的另一个参考系中观测就可能________________________，而是一先一后发生． 2．时间间隔的相对性：设与事件发生者相对静止的观测者测出两事件发生的时间间隔τ0，与事件发生者相对运动的观测者测得两事件发生的时间间隔τ，则τ＝______________，速度u是运动的观测者的速度． 3．长度的相对性：如果与杆相对静止的人认为杆长为l0，以速度u与杆相对运动的人认为杆长为l，则________________________________________． 4．相对论认为空间和时间的量度都与物质的________有关，是________的．运动棒的长度的测量建立在必须________进行观测的基础上，说明空间和时间的量度又是紧密联系的． 5．下列关于经典力学的时空观，正确的是( ) A．经典力学的时空观中，同时是绝对的，即在一个参考系中的观察者在某一时刻观察到的两个事件，对另一参考系中的观察者来说也是同时发生的 B．在经典力学的时空观中，时间间隔是绝对的，即任何事件(或物体的运动)所经历的时间，在不同的参考系中测量都是相同的，而与参考系的选取无关 C．在经典力学的时空观中，空间距离是绝对的，即如果各个参考系中用来测量长度的标准相同，那么空间两点距离是绝对的不变的量值，而与参考系选取无关 D．经典力学的时空观就是一个绝对的时空观，时间与空间、物体的运动无关． 6．在一惯性系中观测，有两个事件同时不同地，则在其他惯性系中观察，结果是( ) A．一定同时 B．可能同时 C．不可能同时，但可能同地 D．不可能同时，也不可能同地

《经典时空观与相对论时空观》教案(1)(1)

时空观与相对论时空观 (一)教学目标 1．知识与技能 (1)了解伽利略相对性原理，知道时空观与参考系的联系。 (2)了解经典时空观及其基本推论，知道牛顿引入绝对时空观的原因。 (3)了解狭义相对论的理论基础与狭义相对论时空观的几个推论，知道相对论时空观对人们认识世界的影响。 (4)知道经典时空观与相对论时空观的主要区别。 2．过程与方法 (1)通过关于参考系和运动的“讨论与交流”，认识惯性系的概念与伽利略相对性原理。 (2)解读并分析教材图5-2-1和图5-2-2，了解绝对时空观与实验事实的矛盾。 (3)通过了解爱因斯坦创立狭义相对论的过程，学习创立科学理论的基本方法——“提出假设”。 (4)解读并分析教材图5-2-3和图5-2-4，通过“讨论与交流”理解同时的相对性． (5)对比经典时空观的推论与相对论时空观的推论，认识经典时空观与相对论时空观的区别。 3．情感、态度与价值观 (1)通过“讨论与交流”活动，培养学生的独立思考能力、逻辑分析能力、口头表达的能力和合作学习的精神。 (2)通过了解时空观的变革，从中认识物理学的发展和变革，体会相对论对人类认识世界的影响，感受物理学的发展对推动社会的作用。 (3)感受科学家客观求实、理性追求、批判创新的精神和富有创造性的想像力，启发学生勇于质疑，富于想象，培养思维的多向性和发散性。 (4)通过了解时空观的变革，使学生认识到自然界是可以被人认识的，科学是认识自然最有效的途径，科学对自然现象有解释和预见的功能，科学知识具有相对的稳定性并不断发展和进步，从过程的意义来看，科学的本质就是探究，是不断地追求真理和不断地修正错误，不断地创新。 （二)本节概述 1．本节特点

4广义相对论的时空观简析

4、广义相对论的时空观简析 爱因斯坦曾经讲过：“科学从科学发展前的思想中将空间、时间和物质客体（其中重要的特例是‘固体’）的概念接收过来，加以修正，使之更加确切。人们曾设想，不依赖于主观认识的‘物理实在’是由空时（为一方）以及与空时作相对运动的永远存在的质点（为另一方）所构成（至少在原则上是这样）。这个关于空时独立存在的观点，可以用这种断然的说法来表达：如果物质消失了，空时本身（作为表演物理事件的一种舞台）仍将依然存在”。爱因斯坦的基本的思想，追求自然规律的统一性，他要通过局域对称性来实现物理运动规律的几何化，这个一直是以后理论物理学家追寻的方向。新的时空概念必然改变时空在理论中的地位和作用，普遍的背景作用被消除后，时空就像一切物理客体一样与其他物理客体之间存在相互作用：时空的特性依赖于其他物理客体，同时通过对其他物理客体的作用表现出自身的特性。引力可以用空间几何特征的空间弯曲得到解释和理解；物质间的作用以及物质的产生与我们所处时空的基本特性有关，即我们为什么具有这样的物质结构，是与时空的本性相关的，而我们的时空为什么是这样的，也是由物质世界的结构所决定的。这样一来，经典理论中那些特设性的形而上学的概念就被剔除了，时空的本质与物理客体的作用关联了起来，从而为将时空自身作为需要研究的物理实在提供了条件。时空的地位不再完全凌驾于一切物理对象和作用之上，而是同它们相互融合。物理学的时空概念变成了哲学时空观在物理学中的狭义表现。 Einstein晚年通过《相对论与空间问题》回顾了人类时空观念的变化过程，委婉地指出“关于存在着无限多个作相对运动的空间的观念”，“甚至在现代科学思想中也远未起到重要的作用”。在回顾人类与原始经验相关的时空观念的变化过程时，Einstein有意将法国古典科学家笛卡儿关于一无所有的空间并不存在的见解与自己的相对论作了比较。他强调：“笛卡儿曾大体上按下述方式进行论证：空间与广延性是同一的，但广延性是与物体相联系的；因此，没有物体的空间是不存在的，亦即一无所有的空间是不存在的。”Einstein认为，“广义相对论绕了一个大弯仍旧证实了笛卡儿的概念。”Einstein以箱子为例，说明“我们的空间概念是同箱子联系在一起的”；但若把“箱壁的厚度缩减为零”，“就只剩下了没有箱子的空间”，即无界的空间。这些无界空间之间关系是怎样的呢？“当一个小箱子s在一个大箱子S的全空空间中处于相对静止状态时，s的全空空间就是S的全空空间的一部分，……但是，当s相对于S运动时，这个概念就不那么简单了。人们就要认为s总是包围着同一个空间，但其所包围的S的一部分空间则是可变的。这样就有必要认定每一个箱子各有其特别的、无界的空间，并有必要假定这两个空间彼此作相对运动。……现在必须记得，空间有无限多个，这些空间彼此作相对运动。”看来Einstein对当时的时空问题研究状况（20世纪50年代）不无遗憾，就此他委婉地指出，这一“观念在逻辑上的确是无可避免的，但是这种观念甚至在现代科学思想中也远未起过重要的作用”。霍金在《时间简史》中写道：爱因斯坦完全变革了我们思考空间和时间的方式，“它们不再是事件在其中发生的被动的背景……相反的，它们现在成为动力学的量”【3】。实际上只需要将其中的第一个“它们”改为空间，第二个“它们”改为“用L、T的函数表述的空间中的特殊结构”，就不仅可以正确地阐明广义相对论带来的关于时间-空间观念变革的基本思想，同时还可以将相对论和经典物理学中的时间-空间观念完全统一起来。顺便提一下，诸如“我们必须接受的观念是，时间不能完全脱离和独立于空间，而必须和空间结合在一起形成所谓的空间-时间的客体”【4】，只需要将最后的七个字修改为“L-T客体”，就符合了客观存在的真实情况。广义相对论给出的宇宙描述刚好是因果宇宙的描述，因为相对论的基本课程是：没有东西能够超光速传播。特别地，任何因果效应和信息不能超光速传播。黎曼几何是一个庞大的几何公理体系，专门用于研究弯曲空