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狹義相對論中的引力場

云知道

狹義相對論是一個嚴(yán)密，完善，自恰，普適的理論 。過去不少學(xué)者，由于理解不深，以及殘留經(jīng)典力學(xué)概念的影響，對其作了很多保留和限制 。例如說，認(rèn)為狹義相對論只適用于勻速運動，而不適用于加速運動 。大量的所謂佯謬出現(xiàn)在討論狹義相對論的理論書、教科書和科普讀物中 。不少書中說，雙生子佯謬中有加速運動，狹義相對論不能解決等等 。作者認(rèn)為，任何所謂佯謬都是由于對狹義相對論理解不深，以及殘留經(jīng)典力學(xué)概念產(chǎn)生的 。在洛倫茲協(xié)變性和不變性方面，也存在很多錯誤的認(rèn)識 。由于牛頓引力定律經(jīng)洛倫茲變換后會改變其形式，被錯誤地認(rèn)為，不符合狹義相對論 。
1.相對性原理，洛倫茲協(xié)變性和不變性
相對性原理，洛倫茲協(xié)變性和洛倫茲不變性是三個不同的概念 。相對性原理是一個公理性的基本原理，是指所有慣性參考系等效，物理規(guī)律相同 ?；蛘哒f，所有慣性參考系對物理規(guī)律是平權(quán)的，無特殊的 。判斷一個物理方程成立，必須滿足相對性原理 。即在所有慣性參考系中,可建立相同的物理方程 。
洛倫茲協(xié)變性是指一個物理量，或物理方程進行洛倫茲變換的可行性 。是判斷該物理量，或物理方程與狹義相對論是否相容的判據(jù) 。具有洛倫茲協(xié)變性的物理量，或物理方程是與狹義相對論相容的，否則是不相容的 。在狹義相對論中，所有物理量都必須可表示為四維張量或其分量，才可進行洛倫茲變換 。四維張量包括：四維標(biāo)量(零階張量)、四維矢量(一階張量)、四維二階張量等等 。
洛倫茲不變性是指，四維形式的物理量或方程，經(jīng)洛倫茲變換后形式不變 。完整的四維張量經(jīng)洛倫茲變換后，仍然是四維張量，其形式不變 。各分量可組合成一定的不變量，但各個分量會發(fā)生改變 。完整的四維矢量經(jīng)洛倫茲變換后，仍然是四維矢量形式不變 。各分量組合成的模值是不變量，但各個分量會發(fā)生改變 。四維標(biāo)量是不變量，經(jīng)洛倫茲變換后仍然是四維標(biāo)量形式不變，其數(shù)值也不變 。
如果物理方程中的物理量不是完整的四維張量，僅以分量的形式出現(xiàn)，仍可對其進行洛倫茲變換，但變換后會改變方程的形式 。例如電磁場的標(biāo)勢是三維標(biāo)量，它是四維勢矢量的時間分量，經(jīng)洛倫茲變換后數(shù)值和形式都會變 。又例如電場E是四維二階反對稱張量的分量，經(jīng)洛倫茲變換后，會出現(xiàn)磁場H，數(shù)值和形式都會改變 。作用力F，矢徑r都是四維矢量的三維分量，可進行洛倫茲變換,變換后會改變形式 。
庫倫定律是與狹義相對論相容的，但由于力F和矢徑r都是四維矢量的三維分量，洛倫茲變換后會改變方程的形式 。正是這種改變，運動電荷周圍會產(chǎn)生磁場 。電場和磁場互相關(guān)聯(lián)，這是狹義相對論的必然結(jié)果 。經(jīng)典的電磁場理論中，庫倫定律和畢奧-薩伐爾定律是兩個完全獨立的定律 。狹義相對論在二者之間建立了聯(lián)系，可以從庫倫定律導(dǎo)出畢奧-薩伐爾定律 。
牛頓引力定律與庫倫定律結(jié)構(gòu)上完全一樣，可對其進行洛倫茲變換，是與狹義相對論相容的 。可以直接納入狹義相對論，作為引力理論的出發(fā)點 。但由于力F和矢徑r都是四維矢量的三維分量，洛倫茲變換后會改變方程的形式 。正是這種改變，可以從牛頓引力定律導(dǎo)出一條新的規(guī)律 。當(dāng)物質(zhì)運動時，引力場并不是單一的三維矢量形式，在物質(zhì)周圍可產(chǎn)生一種類似于磁場的場，稱為動引力場 。引力場與動引力場形成一對場，二者互相關(guān)聯(lián)，合起來稱為引動場，構(gòu)成反對稱二階四維張量形式 。動引力場的力學(xué)效應(yīng)類似于電學(xué)中的洛侖茲力，可對其它運動物體產(chǎn)生作用力 。在天體運動中考慮到它的作用后，對牛頓引力是一種修正 。

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