相對論對于經(jīng)典物理學(xué)的利與弊

劉慶顯

摘 要 自愛因斯坦提出相對論以來，物理學(xué)得到了巨大的發(fā)展，但是，也對經(jīng)典物理學(xué)帶來了巨大的沖擊。那么相對論對經(jīng)典物理學(xué)帶來了什么影響呢？在文中主要就相對論對經(jīng)典物理學(xué)所帶來的利與弊展開討論，以期可以加深對相對論為經(jīng)典物理學(xué)帶來的影響的理解。

關(guān)鍵詞 相對論；經(jīng)典物理學(xué)；影響

中圖分類號 O2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2095-6363（2017）11-0044-01

在人類物理學(xué)發(fā)展的進(jìn)程中，有一群巨星照耀著我們前進(jìn)的方向，他們或是堅(jiān)毅不屈，或是執(zhí)著不悔，或是以自己不可磨滅的熱情來創(chuàng)建人類進(jìn)程中不可預(yù)料的輝煌，而在這一群閃亮的星星中，兩顆耀眼的巨星始終讓人無法忽視他們的存在。熠熠生輝的群星是我們前進(jìn)路上的明燈，這其中就有兩顆巨星始終閃耀著自己的光芒，他們就是牛頓和愛因斯坦。

1 牛頓對于經(jīng)典物理學(xué)的影響

牛頓在經(jīng)典物理學(xué)的多個(gè)領(lǐng)域都做出過不可估量的貢獻(xiàn)，他曾提出相對所謂經(jīng)典力學(xué)，也就是指研究在低速情況下宏觀物體的機(jī)械運(yùn)動(dòng)所遵循的規(guī)律的力學(xué)。經(jīng)典力學(xué)的重要部分是什么呢？根據(jù)經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展史來說，其重要的組成部分是牛頓運(yùn)動(dòng)定律，也可以說是與牛頓定律有關(guān)的并且與其等價(jià)的其他力學(xué)原理，這些原理同樣也是經(jīng)典力學(xué)的基本定律。除此之外，他的一生中對于物理學(xué)的發(fā)展還做出了無數(shù)的、后人無法企及的貢獻(xiàn)。牛頓可謂是經(jīng)典物理學(xué)發(fā)展史中的中流砥柱。

2 愛因斯坦的成就

無獨(dú)有偶，愛因斯坦對于近代科學(xué)發(fā)展進(jìn)程的推進(jìn)作用也是里程碑式的。1905年，愛因斯坦提出了三項(xiàng)都具有劃時(shí)代意義的理論——光量子假說，因此而獲得1921年諾貝爾獎(jiǎng)，并且提出了狹義相對論、布朗運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)性解釋，并由此引出的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果使得當(dāng)時(shí)并不相信原子是真實(shí)的幾位大科學(xué)家都轉(zhuǎn)而相

信了。

他最大的成就有三點(diǎn)：1）從物理學(xué)發(fā)展的意義上說的，提出了以相對論為代表的新的物理哲學(xué)體系，以及由此引發(fā)的兩大理論物理學(xué)派的論戰(zhàn)；2）他發(fā)現(xiàn)的光電效應(yīng)方程；3）他在維護(hù)世界和平方面做出的貢獻(xiàn).愛因斯坦為了反對核武器，他還主動(dòng)退出核物理研究領(lǐng)域。

其中，相對論對于經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生了不可忽視的影響。那么，相對論究竟是什么呢？它主要應(yīng)用于哪些方面呢？相對論又是怎樣對于經(jīng)典物理學(xué)產(chǎn)生不可忽視的影響了呢？筆者認(rèn)為，以上的問題可以從相對論對于經(jīng)典力學(xué)的利與弊的角度來闡述。

3 相對論對經(jīng)典力學(xué)的利與弊

相對論是關(guān)于時(shí)空和引力的理論，主要由愛因斯坦創(chuàng)立，相對論根據(jù)本身的研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。相對論和量子力學(xué)的提出給物理學(xué)帶來了革命性的變化，它們共同奠定了近代物理學(xué)的基礎(chǔ)。相對論極大的改變了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“同時(shí)的相對性”“四維時(shí)空”“彎曲時(shí)空”等全新的概念。不過近年來，人們對于物理理論的分類有了一種新的認(rèn)識——以其理論是否決定論的來劃分經(jīng)典與非經(jīng)典的物理學(xué)，即“非經(jīng)典的=量子的”。在這個(gè)意義下，相對論仍然是一種經(jīng)典的理論。

經(jīng)典物理學(xué)與相對論之間的關(guān)系主要是任何兩者或者多者的關(guān)系中，很難存在一拍即合或者配合的天衣無縫的情況，大多都是各個(gè)元素或者成員之間經(jīng)過長時(shí)間的相互磨合才會(huì)使得一個(gè)團(tuán)隊(duì)或者一斷關(guān)系能夠長時(shí)間的保持順暢的、和諧的相處方式。與此對應(yīng)的，相對論和經(jīng)典物理學(xué)的關(guān)系也未能幸免，經(jīng)典物理學(xué)與相對論的關(guān)系中，矛盾性是不可忽視的一個(gè)重要的特點(diǎn)。

需要說明的是，經(jīng)典物理學(xué)與相對論之間的矛盾是多方面的。比如，如果以經(jīng)典物理學(xué)的視角來分析時(shí)間與空間的話，那么時(shí)間與空間是絕對的。但是矛盾恰恰就在此，如果以相對論的視角來看待兩者的話，那么時(shí)間與空間就是相對的。除此之外，還有很多的情況是經(jīng)典物理學(xué)無法解釋的，那么，在這種情況下，就需要運(yùn)用相對論來解決問題了，比如物體高速運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況。由此可見，相對論對于經(jīng)典物理學(xué)起到了輔助補(bǔ)充的作用，大大地彌補(bǔ)了經(jīng)典物理學(xué)中存在的缺陷，完成了經(jīng)典物理學(xué)無法解析的問題。但是，在此需要特別的說明的是，相對論并不會(huì)推翻經(jīng)典物理學(xué)，正如上述例子一樣，對于經(jīng)典物理學(xué)來說，相對論更多的是起到了補(bǔ)充開拓的作用，明確了經(jīng)典物理學(xué)的適用范圍，即低俗、宏觀的物理世界，在高速圍觀的世界里對于經(jīng)典物理學(xué)所不能達(dá)到的領(lǐng)域進(jìn)行補(bǔ)充與加強(qiáng)。

牛頓經(jīng)典力學(xué)認(rèn)為質(zhì)量和能量各自獨(dú)立存在，并且提出了牛頓定律，但是，這一定律卻使得狹義相對論面臨巨大的挑戰(zhàn)，即任何空間位置的任何物體都要受到力的作用。就在這個(gè)時(shí)候，為了解決這個(gè)問題，愛因斯坦提出了廣義相對論。

愛因斯坦廣義相對論認(rèn)為，質(zhì)量和能量各自獨(dú)立存在，且各自守恒，它只適用于物體運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速的范圍。

經(jīng)典力學(xué)也是有其局限性的。1543年，波蘭的哥白尼發(fā)表了《天體運(yùn)行論》，提出了“日心說”，指出“地心說”是錯(cuò)誤的，認(rèn)識到了地球和其它行星都圍繞太陽運(yùn)動(dòng)。經(jīng)典力學(xué)以嚴(yán)格的數(shù)學(xué)方法和邏輯體系統(tǒng)一了宇宙間的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了人類對自然界認(rèn)識的第一次理論大綜合。經(jīng)典力學(xué)又經(jīng)歷了17、18、19世紀(jì)的進(jìn)一步完善。在邏輯上和形式上都進(jìn)一步優(yōu)美，日臻完善。

眾多的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：不存在以太，光速不受地球運(yùn)動(dòng)影響，是一個(gè)常量。這使得經(jīng)典力學(xué)的預(yù)言失敗，有力地證明了麥克斯韋的電磁學(xué)理論?？此瓢偌覡庿Q的學(xué)術(shù)繁華現(xiàn)象并沒有解決實(shí)際的額問題，相對的，反而使得物理學(xué)陷入了混亂之中。眾所周知，狹義相對論與經(jīng)典力學(xué)是極其相似的，兩者均是低速情況下物體運(yùn)動(dòng)的適用理論，而在高速（特別是接近光速）的情況下，經(jīng)典力學(xué)的不足之處也就體現(xiàn)出來了，他就不再適用，取而代之的是狹義相對論；第二是光速不變原理。在任意一個(gè)慣性系中，光速都為c，這就引出了關(guān)于同時(shí)性的相對性。由于光速是有限的，光從A地傳播到B地需要一定時(shí)間，因此，在一個(gè)參考系中是同時(shí)發(fā)生的兩件事件，在另一個(gè)參考系看來就不再是同時(shí)的了。每個(gè)參考系都有自己的時(shí)間，這一觀點(diǎn)改變了千百年來人們頭腦中的時(shí)間觀念。相對論與經(jīng)典力學(xué)是存在區(qū)別與聯(lián)系的。具體的可以這樣總結(jié)來看：經(jīng)典力學(xué)是狹義相對論在低速（v<

縱觀人類科學(xué)發(fā)展史，任何一種理論，只要它能符合嚴(yán)密的邏輯，并且能合理地解釋已發(fā)現(xiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，還能夠成功地預(yù)言尚未發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象并最終被實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。那么，這個(gè)理論就不可能是完全錯(cuò)誤的。但是它也絕不可能是完美的。因?yàn)樗肋h(yuǎn)只是自然界的客觀規(guī)律在某些特定條件、特定適用范圍內(nèi)的近似形式。也正因此，自然界是可以被認(rèn)識的，但認(rèn)識是永無止境的。

由此可見，相對論對于經(jīng)典物理學(xué)的影響并不是但看一方面就能下結(jié)論的，相對論對于經(jīng)典物理學(xué)的利弊，筆者看來，兩者都是科學(xué)發(fā)展的產(chǎn)物，二者相輔相成，對于人類科學(xué)發(fā)展都是不可或缺的。

由不同的研究方向出發(fā)，涉及的研究領(lǐng)域不同，需要的理論知識不同，所得出的研究結(jié)果也就不一樣。不同的研究方法使得研究的進(jìn)程不盡相同。對的研究方法使得研究的進(jìn)程事半功倍，錯(cuò)誤的研究方法使得研究的進(jìn)程一拖再拖。同樣的，所選擇的理論知識的正確性對于研究結(jié)果的得出也是決定性的。正如上述所得，相對論對于經(jīng)典物理學(xué)來說是某個(gè)研究領(lǐng)域的補(bǔ)充與拓展。比如在宏觀低速的研究領(lǐng)域中，經(jīng)典物理學(xué)能夠很好的解決各種現(xiàn)實(shí)或者理想中的各種問題，但是到了微觀高速的研究領(lǐng)域中，經(jīng)典物理學(xué)的不足也就毫無保留的顯現(xiàn)出來。這個(gè)時(shí)候，相對論對于經(jīng)典物理學(xué)的補(bǔ)充與拓展的作用也就顯現(xiàn)出來了。由此我們可以得出，相對論并不是對于經(jīng)典物理學(xué)的推翻與代替，而是對于經(jīng)典物理學(xué)的補(bǔ)充與拓展。相對論使得經(jīng)典物理學(xué)充分認(rèn)識到自己的不足之處，并且對經(jīng)典物理學(xué)做出來恰到好處的改進(jìn)與完善。由此可見，相對論對于經(jīng)典物理學(xué)的影響就像是一把雙刃劍，在某個(gè)角度看來，相對論使得經(jīng)典物理學(xué)的理論知識在人類的研究中不再使用，而從另外的角度來看待兩者之間的關(guān)系的話，相對論對于經(jīng)典物理學(xué)的發(fā)展與進(jìn)步也起到了一定的推動(dòng)作用。

因此，我們應(yīng)該正確地、辯證性地來看待兩者的關(guān)系，只有這樣，才能做出明智的選擇。