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相对论普及:力学和电磁学定律的四维表述

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根据麦克斯韦电磁场方程组,可以得出结论:光速的数值只与真空介电常数和真空磁导率有关,而与惯性系的选择无关。这实际上就是光速不变原理的内容。所以,作为整个电磁学基础的麦克斯韦方程组是满足洛伦兹变换关系的,其可以不加修正地被纳入狭义相对论的体系中。将麦克斯韦方程组表述为四维形式后,理论变得更为优美,原来的方程组中的四个方程简化为两个方程。
然而,建立在绝对时空观基础之上的牛顿力学就没有麦克斯韦电磁理论那么幸运了,其必须通过大幅度的修正才能够被纳入狭义相对论的体系中,成为狭义相对论力学。
在所有这些修正当中,首要的、最大的修正就是改变当惯性系之间的相对运动速度达到近光速的高速领域时的时空观念。在牛顿力学中,三维空间与一维时间之间是相互独立的,并且都与宇宙中物质的存在和运动无关。简言之,宇宙空间就像一个无限大的容器一样,装载着在其中运动的各种物质,其中的物质自然不能改变容器的形状。
在狭义相对论中,虽然空间和时间存在内在联系,并且都与物体和参考系之间的相对运动速度相关。但是,平直而且均匀的四维时空仍旧是一个绝对的存在,与宇宙中物质的分布和运动无关。
在狭义相对论中的四维闵可夫斯基时空背景之下,把各力学量改写成四维形式(例如四维位移、四维速度和四维加速度,四维动量、四维力等),并且将力学基本定律写成洛伦兹变换下的协变形式,力学理论同样变得更为优美。


IP属地:河北来自Android客户端1楼2023-07-30 13:07回复