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發表於 2011-7-16 20:47:45
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本帖最後由 tigerb 於 2011-7-16 20:53 編輯
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相對論
相對論（英語：Theory of relativity）是關於時空和引力的理論，主要由愛因斯坦創立，依其研究對象的不同可分為狹義相對論和廣義相對論。相對論和量子力學的提出給物理學帶來了革命性的變化，它們共同奠定了近代物理學的基礎。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「同時的相對性」、「四維時空」、「彎曲時空」等全新的概念。不過近年來，人們對於物理理論的分類有了一種新的認識——以其理論是否是決定論的來劃分古典與非古典的物理學，即「非古典的＝量子的」。在這個意義下，相對論仍然是一種古典的理論。
狹義與廣義相對論的分野
傳統上，在愛因斯坦剛剛提出相對論的初期，人們以所討論的問題是否涉及非慣性參考系來作為狹義與廣義相對論分類的標誌。隨着相對論理論的發展，這種分類方法越來越顯出其缺點——參考系是跟觀察者有關的，以這樣一個相對的物理對象來劃分物理理論，被認為較不能反映問題的本質。目前一般認為，狹義與廣義相對論的區別在於所討論的問題是否涉及引力（彎曲時空），即狹義相對論只涉及那些沒有引力作用或者引力作用可以忽略的問題，而廣義相對論則是討論有引力作用時的物理學的。用相對論的語言來說，就是狹義相對論的背景時空是平直的，即四維平凡流型配以閔氏度規，其曲率張量為零，又稱閔氏時空；而廣義相對論的背景時空則是彎曲的，其曲率張量不為零。
狹義相對論
愛因斯坦在他1905年的論文《論動體的電動力學》中介紹了其狹義相對論。
狹義相對論建立在如下的兩個基本公設上：
狹義相對性原理（狹義協變性原理）：一切的慣性參考系都是平權的，即物理規律的形式在任何的慣性參考系中是相同的。這意味着物理規律對於一位靜止在實驗室里的觀察者和一個相對於實驗室高速勻速運動着的電子是相同的。
光速不變原理：真空中的光速在任何參考系下是恆定不變的,這用幾何語言可以表為光子在時空中的世界線總是類光的。也正是由於光子有這樣的實驗性質，在國際單位制中使用了「光在真空中1/2,9979,2458秒內所走過的距離」來定義長度單位「米」（公尺）。
在狹義相對論提出以前，人們認為時間和空間是各自獨立的絕對的存在。而愛因斯坦的相對論首次提出了時空的概念，它認為時間和空間各自都不是絕對的，而絕對的是一個它們的整體——時空，在時空中運動的觀者可以建立「自己的」參照系，可以定義「自己的」時間和空間（即對四維時空做「3＋1分解」），而不同的觀者所定義的時間和空間可以是不同的。具體的來說，在閔氏時空中，而如果一個慣性觀者（G）相對於另一個慣性觀者（G'）在做勻速運動，則他們所定義的時間（t與t'）和空間({x,y,z}與{x',y',z'})之間滿足勞侖茲變換。而在這一變換關係下就可以推導出「尺縮」、「鐘慢」等效應，具體見狹義相對論條目。
在愛因斯坦以前，人們廣泛的關注於麥克斯韋方程組在伽利略變換下不協變的問題，也有人注意到過愛因斯坦提出狹義相對論所基於的實驗（如光程差實驗等），也有人推導出過與愛因斯坦類似的數學表達式（如勞侖茲變換），但只有愛因斯坦將這些因素與古典物理的時空觀結合起來提出了狹義相對論，並極大的改變了我們的時空觀。在這一點上，狹義相對論是革命性的。
廣義相對論
在本質上，所有的物理學問題都涉及採用什麼時空觀的問題。在二十世紀以前的古典物理學裡，人們採用的是牛頓的絕對時空觀。而相對論的提出改變了這種時空觀，這就導致人們必須依相對論的要求對古典物理學的公式進行改寫，以使其具有相對論所要求的勞侖茲協變性而不是以往的伽利略協變性。在古典理論物理的三大領域中，電動力學本身就是勞侖茲協變的，無需改寫；統計力學有一定的特殊性，但這一特殊性並不帶來很多急需解決的原則上的困難；而古典力學的大部分都可以成功的改寫為相對論形式，以使其可以用來更好的描述高速運動下的物體，但是唯獨牛頓的引力理論無法在狹義相對論的框架體系下改寫，這直接導致愛因斯坦擴展其狹義相對論，而得到了廣義相對論。
愛因斯坦在1915年左右發表的一系列論文中給出了廣義相對論最初的形式。他首先注意到了被稱之為（弱）等效原理的實驗事實：引力質量與慣性質量是相等的（目前實驗證實,在10 − 12的精確度範圍內,仍沒有看到引力質量與慣性質量的差別）。這一事實也可以理解為，當除了引力之外不受其他力時，所有質量足夠小（即其本身的質量對引力場的影響可以忽略）的測驗物體在同一引力場中以同樣的方式運動。既然如此，則不妨認為引力其實並不是一種「力」，而是一種時空效應，即物體的質量（準確的說應當為非零的能動張量）能夠產生時空的彎曲，引力源對於測驗物體的引力正是這種時空彎曲所造成的一種幾何效應。這時，所有的測驗物體就在這個彎曲的時空中做慣性運動，其運動軌跡正是該彎曲時空的測地線，它們都遵守測地線方程式。正是在這樣的思路下，愛因斯坦得到了其廣義相對論。
系統的說，廣義相對論包括如下幾條基本假設。：
廣義相對性原理（廣義協變性原理）：任何物理規律都應該用與參考系無關的物理量表示出來。用幾何語言描述即為，任何在物理規律中出現的時空量都應當為該時空的度規或者由其導出的物理量。
愛因斯坦場方程式：它具體表達了時空中的物質（能動張量）對於時空幾何（曲率張量的函數）的影響，其中對應能動張量的要求（其梯度為零）則包含了上面關於在其中做慣性運動的物體的運動方程式的內容。
在現有的廣義相對論的理論框架下，等效原理是可以由其他假設推出。具體來說，就是如果時空中有一觀者(G)，則可在其世界綫的一個鄰域內建立的侷域慣性參考系，而廣義相對性原理要求該繫中的克氏符（Christoffel symbols）在觀者G的世界綫上的值為零。因而現代的相對論學家經常認為其不應列入廣義相對論的基本假設，其中比較有代表性的如Synge就認為：等效原理在相對論創立的初期起到了與以往古典物理的橋樑的作用，它可以被稱之為「廣義相對論的接生婆」，而現在「在廣義相對論這個新生嬰兒誕生後把她體面地埋葬掉」。
如果說到了二十世紀初狹義相對論因為古典物理原來固有的矛盾、大量的新實驗以及廣泛的關注而呼之欲出的話，那麼廣義相對論的提出則在某種意義下是「理論走在了實驗前面」的一次實踐。在此之前，雖然有一些後來用以支持廣義相對論的實驗現象（如水星軌道近日點的進動），但是它們並不總是物理學關注的焦點。而廣義相對論的提出，在很大程度上是由於相對論理論自身發展的需要，而並非是出於有一些實驗現象急待有理論去解釋的現實需要，這在物理學的發展史上是並不多見的。因而在相對論提出之後的一段時間內其進展並不是很快，直到後來天文學上的一系列觀測的出現，才使廣義相對論有了比較大的發展。到了當代，在對於引力波的觀測和對於一些高密度天體的研究中，廣義相對論都成為了其理論基礎之一。而另一方面，廣義相對論的提出也為人們重新認識一些如宇宙學、時間旅行等古老的問題提供了新的工具和視角。
量子力學
量子力學是描寫微觀物質的一個物理學理論，與相對論一起被認為是現代物理學的兩大基本支柱，許多物理學理論和科學如原子物理學、固體物理學、核物理學和粒子物理學以及其它相關的學科都是以量子力學為基礎。
19世紀末，古典力學和古典電動力學在描述微觀系統時的不足越來越明顯。量子力學是在20世紀初由馬克斯·普朗克、尼爾斯·玻爾、沃納·海森堡、埃爾溫·薛定諤、沃爾夫岡·包立、路易·德布羅意、馬克斯·玻恩、恩里科·費米、保羅·狄拉克等一大批物理學家共同創立的。通過量子力學的發展人們對物質的結構以及其交互作用的見解被革命化地改變。通過量子力學許多現象才得以真正地被解釋，新的、無法直覺想像出來的現象被預言，但是這些現象可以通過量子力學被精確地計算出來，而且後來也獲得了非常精確的實驗證明。除通過廣義相對論描寫的引力外，至今所有其它物理基本交互作用均可以在量子力學的框架內描寫（量子場論）。
物理意義
量子力學與古典力學的一個主要區別，在於測量過程在理論中的地位。在古典力學中，一個物理系統的位置和動量，可以無限精確地被確定和被預言。至少在理論上，測量對這個系統本身，並沒有任何影響，並可以無限精確地進行。在量子力學中，測量過程本身對系統造成影響。
量子力學可以算作是被驗證的最嚴密的物理理論之一了。至今為止，所有的實驗數據均無法推翻量子力學。大多數物理學家認為，它「幾乎」在所有情況下，正確地描寫能量和物質的物理性質。雖然如此，量子力學中，依然存在着概念上的弱點和缺陷，除上述的萬有引力的量子理論的缺乏外，至今為止對量子力學的解釋存在着爭議。
萬有引力
試圖描寫引力的量子模型被稱為量子引力。人們推測，承載引力交互作用的基本粒子應該自旋為2，被稱為引力子。然而至今為止，萬有引力仍無法使用量子的交互作用模型來描述。作為一級近似，人們發展了彎曲時空的量子場論。考慮強引力場引起的粒子產生消滅的理論被稱為半古典引力。在強引力場比如黑洞附近，或者將整個宇宙作為整體來看的話，量子力學可能遇到了其適用邊界。目前使用量子力學，或者使用廣義相對論，均無法解釋，一個粒子到達黑洞的奇異點時的物理狀況。廣義相對論預言，該粒子會被壓縮到密度無限大；而量子力學則預言，由於粒子的位置無法被確定，因此，它無法達到密度無限大，而可以逃離黑洞。因此 20 世紀最重要的兩個新的物理理論，量子力學和廣義相對論互相矛盾。
尋求解決這個矛盾的答案，是目前理論物理學的一個重要目標（量子引力）。但是至今為止，找到引力的量子理論的問題，顯然非常困難。雖然，一些亞古典的近似理論有所成就，比如對霍金輻射的預言，但是至今為止，無法找到一個整體的量子引力的理論。目前，這個方面的研究包括迴圈量子重力、弦理論及M理論等。
解釋
假如，量子力學的數學模型，是它的適用範圍內的完整的物理現象的描寫的話，那麼，我們發現測量過程中，每次測量結果的機率性的意義，與古典統計理論中的機率，意義不同。即使完全相同的系統的測量值，也會是隨機的。這與古典的統計力學中的機率結果不一樣。在古典的統計力學中，測量結果的不同，是由於實驗者無法完全複製一個系統，而不是因為測量儀器無法精確地進行測量。在量子力學的標準解釋中，測量的隨機性是基本性的，是由量子力學的理論基礎獲得的。由於量子力學儘管無法預言單一實驗的結果，依然是一個完整的自然的描寫，使得人們不得不得出以下結論：世界上不存在通過單一測量可以獲得的客觀的系統特性。一個量子力學狀態的客觀特性，只有在描寫其整組實驗所體現出的統計分佈中，才能獲得。
愛因斯坦（「量子力學不完整」，「上帝不擲骰子」）與尼爾斯·玻爾是最早對這個問題進行爭論的。玻爾維護不確定原理和互補原理。在多年的、激烈的討論中，愛因斯坦不得不接受不確定原理，而玻爾則削弱了他的互補原理，這最後導致了今天的哥本哈根詮釋。
不確定性原理是量子力學中的不確定性，具體指在一個量子力學系統中，一個粒子的位置和它的動量不可被同時確定。
是由德國物理學家海森堡於1927年提出，1926 年 5 月，海森堡被任聘為哥本哈根大學玻爾理論物理學院 (Bohr's Institute) 的講師，幫尼爾斯·玻爾做研究。隔年，海森堡發現了不確定性原理，從而為後來知名為哥本哈根詮釋奠定了的堅固的基礎。海森堡證明，對易關係可以導引出不確定性，或者，使用玻爾的術語，互補性 (complementarity)
不確定性原理時常會被解釋為：粒子位置的測量必然地擾亂了粒子的動量；反過來說也對，粒子動量的測量必然地擾亂了粒子的位置。換句話說，不確定性原理是一種觀察者效應的顯示。
這解釋時常會導致一種錯誤的想法，在概念上，似乎這擾亂是可以避免的；粒子的量子態可以同時擁有明確的位置和明確的動量，問題是我們所設計的最尖端實驗儀器仍舊無法製備出這些量子態。但是，在量子力學裏，明確位置與明確動量的量子態並不存在。我們不能怪罪於實驗儀器。所以，由於這方面的原因，我們最好稱它為不確定性原理，而不是測不準原理。
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收嗲鳥
油顏色
即是地球上未有突破相對論的物質學能負荷超越
看來相對論的愛因斯旦, 又著同一種色即是空, 本來無一物. 呵呵~
UP完