相對論對于經典物理學的利與弊

劉慶顯

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

關鍵詞 相對論；經典物理學；影響

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

在人類物理學發展的進程中，有一群巨星照耀著我們前進的方向，他們或是堅毅不屈，或是執著不悔，或是以自己不可磨滅的熱情來創建人類進程中不可預料的輝煌，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 牛頓對于經典物理學的影響

牛頓在經典物理學的多個領域都做出過不可估量的貢獻，他曾提出相對所謂經典力學，也就是指研究在低速情況下宏觀物體的機械運動所遵循的規律的力學。經典力學的重要部分是什么呢？根據經典物理學發展史來說，其重要的組成部分是牛頓運動定律，也可以說是與牛頓定律有關的并且與其等價的其他力學原理，這些原理同樣也是經典力學的基本定律。除此之外，他的一生中對于物理學的發展還做出了無數的、后人無法企及的貢獻。牛頓可謂是經典物理學發展史中的中流砥柱。

2 愛因斯坦的成就

無獨有偶，愛因斯坦對于近代科學發展進程的推進作用也是里程碑式的。1905年，愛因斯坦提出了三項都具有劃時代意義的理論——光量子假說，因此而獲得1921年諾貝爾獎，并且提出了狹義相對論、布朗運動的統計性解釋，并由此引出的驗證性實驗的結果使得當時并不相信原子是真實的幾位大科學家都轉而相

信了。

他最大的成就有三點：1）從物理學發展的意義上說的，提出了以相對論為代表的新的物理哲學體系，以及由此引發的兩大理論物理學派的論戰；2）他發現的光電效應方程；3）他在維護世界和平方面做出的貢獻.愛因斯坦為了反對核武器，他還主動退出核物理研究領域。

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

3 相對論對經典力學的利與弊

相對論是關于時空和引力的理論，主要由愛因斯坦創立，相對論根據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，人們對于物理理論的分類有了一種新的認識——以其理論是否決定論的來劃分經典與非經典的物理學，即“非經典的=量子的”。在這個意義下，相對論仍然是一種經典的理論。

經典物理學與相對論之間的關系主要是任何兩者或者多者的關系中，很難存在一拍即合或者配合的天衣無縫的情況，大多都是各個元素或者成員之間經過長時間的相互磨合才會使得一個團隊或者一斷關系能夠長時間的保持順暢的、和諧的相處方式。與此對應的，相對論和經典物理學的關系也未能幸免，經典物理學與相對論的關系中，矛盾性是不可忽視的一個重要的特點。

需要說明的是，經典物理學與相對論之間的矛盾是多方面的。比如，如果以經典物理學的視角來分析時間與空間的話，那么時間與空間是絕對的。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，那么時間與空間就是相對的。除此之外，還有很多的情況是經典物理學無法解釋的，那么，在這種情況下，就需要運用相對論來解決問題了，比如物體高速運動時的情況。由此可見，相對論對于經典物理學起到了輔助補充的作用，大大地彌補了經典物理學中存在的缺陷，完成了經典物理學無法解析的問題。但是，在此需要特別的說明的是，相對論并不會推翻經典物理學，正如上述例子一樣，對于經典物理學來說，相對論更多的是起到了補充開拓的作用，明確了經典物理學的適用范圍，即低俗、宏觀的物理世界，在高速圍觀的世界里對于經典物理學所不能達到的領域進行補充與加強。

牛頓經典力學認為質量和能量各自獨立存在，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，即任何空間位置的任何物體都要受到力的作用。就在這個時候，為了解決這個問題，愛因斯坦提出了廣義相對論。

愛因斯坦廣義相對論認為，質量和能量各自獨立存在，且各自守恒，它只適用于物體運動速度遠小于光速的范圍。

經典力學也是有其局限性的。1543年，波蘭的哥白尼發表了《天體運行論》，提出了“日心說”，指出“地心說”是錯誤的，認識到了地球和其它行星都圍繞太陽運動。經典力學以嚴格的數學方法和邏輯體系統一了宇宙間的運動，實現了人類對自然界認識的第一次理論大綜合。經典力學又經歷了17、18、19世紀的進一步完善。在邏輯上和形式上都進一步優美，日臻完善。

眾多的實驗結果表明：不存在以太，光速不受地球運動影響，是一個常量。這使得經典力學的預言失敗，有力地證明了麥克斯韋的電磁學理論。看似百家爭鳴的學術繁華現象并沒有解決實際的額問題，相對的，反而使得物理學陷入了混亂之中。眾所周知，狹義相對論與經典力學是極其相似的，兩者均是低速情況下物體運動的適用理論，而在高速（特別是接近光速）的情況下，經典力學的不足之處也就體現出來了，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。在任意一個慣性系中，光速都為c，這就引出了關于同時性的相對性。由于光速是有限的，光從A地傳播到B地需要一定時間，因此，在一個參考系中是同時發生的兩件事件，在另一個參考系看來就不再是同時的了。每個參考系都有自己的時間，這一觀點改變了千百年來人們頭腦中的時間觀念。相對論與經典力學是存在區別與聯系的。具體的可以這樣總結來看：經典力學是狹義相對論在低速（v<

縱觀人類科學發展史，任何一種理論，只要它能符合嚴密的邏輯，并且能合理地解釋已發現的實驗現象，還能夠成功地預言尚未發現的現象并最終被實驗所證實。那么，這個理論就不可能是完全錯誤的。但是它也絕不可能是完美的。因為它永遠只是自然界的客觀規律在某些特定條件、特定適用范圍內的近似形式。也正因此，自然界是可以被認識的，但認識是永無止境的。

由此可見，相對論對于經典物理學的影響并不是但看一方面就能下結論的，相對論對于經典物理學的利弊，筆者看來，兩者都是科學發展的產物，二者相輔相成，對于人類科學發展都是不可或缺的。

由不同的研究方向出發，涉及的研究領域不同，需要的理論知識不同，所得出的研究結果也就不一樣。不同的研究方法使得研究的進程不盡相同。對的研究方法使得研究的進程事半功倍，錯誤的研究方法使得研究的進程一拖再拖。同樣的，所選擇的理論知識的正確性對于研究結果的得出也是決定性的。正如上述所得，相對論對于經典物理學來說是某個研究領域的補充與拓展。比如在宏觀低速的研究領域中，經典物理學能夠很好的解決各種現實或者理想中的各種問題，但是到了微觀高速的研究領域中，經典物理學的不足也就毫無保留的顯現出來。這個時候，相對論對于經典物理學的補充與拓展的作用也就顯現出來了。由此我們可以得出，相對論并不是對于經典物理學的推翻與代替，而是對于經典物理學的補充與拓展。相對論使得經典物理學充分認識到自己的不足之處，并且對經典物理學做出來恰到好處的改進與完善。由此可見，相對論對于經典物理學的影響就像是一把雙刃劍，在某個角度看來，相對論使得經典物理學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系的話，相對論對于經典物理學的發展與進步也起到了一定的推動作用。

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