狭义相对论中的引力场

狭义相对论是一个严密,完善,自恰,普适的理论 。过去不少学者,由于理解不深,以及残留经典力学概念的影响,对其作了很多保留和限制 。例如说,认为狭义相对论只适用于匀速运动,而不适用于加速运动 。大量的所谓佯谬出现在讨论狭义相对论的理论书、教科书和科普读物中 。不少书中说,双生子佯谬中有加速运动,狭义相对论不能解决等等 。作者认为,任何所谓佯谬都是由于对狭义相对论理解不深,以及残留经典力学概念产生的 。在洛伦兹协变性和不变性方面,也存在很多错误的认识 。由于牛顿引力定律经洛伦兹变换后会改变其形式,被错误地认为,不符合狭义相对论 。
1.相对性原理,洛伦兹协变性和不变性
相对性原理,洛伦兹协变性和洛伦兹不变性是三个不同的概念 。相对性原理是一个公理性的基本原理,是指所有惯性参考系等效,物理规律相同 。或者说,所有惯性参考系对物理规律是平权的,无特殊的 。判断一个物理方程成立,必须满足相对性原理 。即在所有惯性参考系中,可建立相同的物理方程 。
洛伦兹协变性是指一个物理量,或物理方程进行洛伦兹变换的可行性 。是判断该物理量,或物理方程与狭义相对论是否相容的判据 。具有洛伦兹协变性的物理量,或物理方程是与狭义相对论相容的,否则是不相容的 。在狭义相对论中,所有物理量都必须可表示为四维张量或其分量,才可进行洛伦兹变换 。四维张量包括:四维标量(零阶张量)、四维矢量(一阶张量)、四维二阶张量等等 。
洛伦兹不变性是指,四维形式的物理量或方程,经洛伦兹变换后形式不变 。完整的四维张量经洛伦兹变换后,仍然是四维张量,其形式不变 。各分量可组合成一定的不变量,但各个分量会发生改变 。完整的四维矢量经洛伦兹变换后,仍然是四维矢量形式不变 。各分量组合成的模值是不变量,但各个分量会发生改变 。四维标量是不变量,经洛伦兹变换后仍然是四维标量形式不变,其数值也不变 。
如果物理方程中的物理量不是完整的四维张量,仅以分量的形式出现,仍可对其进行洛伦兹变换,但变换后会改变方程的形式 。例如电磁场的标势是三维标量,它是四维势矢量的时间分量,经洛伦兹变换后数值和形式都会变 。又例如电场E是四维二阶反对称张量的分量,经洛伦兹变换后,会出现磁场H,数值和形式都会改变 。作用力F,矢径r都是四维矢量的三维分量,可进行洛伦兹变换,变换后会改变形式 。
库伦定律是与狭义相对论相容的,但由于力F和矢径r都是四维矢量的三维分量,洛伦兹变换后会改变方程的形式 。正是这种改变,运动电荷周围会产生磁场 。电场和磁场互相关联,这是狭义相对论的必然结果 。经典的电磁场理论中,库伦定律和毕奥-萨伐尔定律是两个完全独立的定律 。狭义相对论在二者之间建立了联系,可以从库伦定律导出毕奥-萨伐尔定律 。
牛顿引力定律与库伦定律结构上完全一样,可对其进行洛伦兹变换,是与狭义相对论相容的 。可以直接纳入狭义相对论,作为引力理论的出发点 。但由于力F和矢径r都是四维矢量的三维分量,洛伦兹变换后会改变方程的形式 。正是这种改变,可以从牛顿引力定律导出一条新的规律 。当物质运动时,引力场并不是单一的三维矢量形式,在物质周围可产生一种类似于磁场的场,称为动引力场 。引力场与动引力场形成一对场,二者互相关联,合起来称为引动场,构成反对称二阶四维张量形式 。动引力场的力学效应类似于电学中的洛仑兹力,可对其它运动物体产生作用力 。在天体运动中考虑到它的作用后,对牛顿引力是一种修正 。

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