1、（第二版） 方励之 褚耀泉 著 从牛顿定律 到爱因斯坦相对论 书 丛 物 理 识 础 学 基 知 物理学基础知识丛书 从牛顿定律 到爱因斯坦相对论 （ 第 二 版 ） 方励之 褚耀泉 著 方励之 褚耀泉 著 1 9 8 7 凡剑（Ken777）藏书 内 容 简 介 内 容 简 介 本书介绍了从牛顿定律到爱因斯坦相对论的一些主要发展线索， 阐明了物质宏观运动的基本规律，较全面地叙述了狭义相对论和广义 相对论的知识。着重介绍了近 20 多年来广义相对论天体物理和宇宙学 的发展。 本书可供高中以上文化程度的广大读者阅读。 物理学基础知识丛书 从牛顿定律 到爱因斯坦相对论 （ 第 二 版 ） 方励之
2、褚耀泉 著 责任编辑 姜淑华 出 版 北京朝阳门内大街 137 号 中国科学院印刷厂印刷 新华书店北京发行所发行 各地新华书店经售 * 1981 年 4 月第一版 开本：7871092 1/32 1987 年 2 月第二版 印张：4 7/8 1987 年 2 月第四次印刷 字数：89,000 印数：39,40144,100 统一书号：130313372 本社书号：5131134 定价：0.92 元 i 代 序 1978 年 8 月，中国物理学会在庐山召开年会，不少物理 学工作者有感于物理学在提高全民族科学文化水平和实现 “四化”中的伟大作用，建议中国物理学会与科学出版社合作， 编辑出版一套物理
3、学基础知识丛书 ，有计划有系统地普及 物理学的基础知识和物理学的新发展。这一倡议当即得到了 广泛的响应。为此，中国物理学会理事会进行了认真讨论，积 极热情地支持了这一建议，于是，就在风景绮丽的庐山，在中 国物理学会和科学出版社的共同主持下，正式成立了本丛书 的编委会，讨论和制定了丛书的编辑方针和选题计划，正式开 始了丛书的编辑出版工作。 物理学研究物质的运动规律，物质的结构及其相互作用， 它是许多科学技术的基础。 从本世纪开始， 物理学经历了极其 深刻的革命，从宏观发展到微观，从低速发展到高速，由此 诞生了量子物理学和相对论，并在许多科学技术领域引起了 深刻的变革。本世纪以来，物理学在认识和改
4、造物质世界方 面不断取得伟大成就，不断揭开物质世界的奥秘。原子能的 利用，使人类掌握了新的能源；半导体科学技术的发展，导致 了计算技术和自动控制系统的革命；激光的出现焕发了经典 光学的青春；凝聚态物理学的发展，使人们不断创造出许多性 ii 能大大提高的材料；因此，向广大读者宣传物理学的基础 知识以及物理学的新发展，乃是提高全民族科学文化水平和 实现“四化”的需要。我们编辑出版本丛书的目的，就是试图 在这方面贡献一份力量。 本丛书将着重介绍现代物理学的基础知识，介绍物理学 的最新发展，要求注重科学性。我们希望作者发扬创新精神， 力求做到题材新颖，风格多样；勇于发表独创性、探索性的见 解，以活跃读
5、者思路。在文风上则要求做到准确、鲜明、生动， 深入浅出、引人入胜，以说透物理意义为主，尽量少用数学公 式。 在编辑出版丛书工作中，我们得到了广大物理学工作者 的热情支持和鼓励，还得到老一辈物理学家严济慈、钱临照、 陆学善等同志的热情赞助和关怀。美国加州大学热斐尔学院 院长吴家玮教授应邀积极参加编委会工作，并约请了美籍学 者为丛书撰稿。我们一并在此致以谢意。 物理学基础知识丛书编委会 1980 年 12 月于北京 iii 前 言 前 言 现在，越来越多的历史事实证明，人类文明之所以有今 天，是同一些杰出物理学家的工作分不开的。其中尤其以创 建了经典力学的伽利略、牛顿及创建了狭义和广义相对论的 爱
6、因斯坦最具有代表性。 当我们回顾这几位划时代的科学家的时候，就会发现，虽 然他们生活在极为不同的时代，从经典力学到现代物理学也 已经发生了巨大变化，但是，在这些人身上，我们却可以看到 许多共同的特征。 首先，他们都是不受成见或传统思想所束缚的探索者。 他们的科学研究工作，往往是从那些被认为早有定论、不容怀 疑的地方打开缺口的。他们研究的问题，就是我们今天看来， 也会觉得是“太”基本了， “太”抽象了。比如，什么是时间？什 么是空间？什么是相对？什么是绝对？什么是天体运动的规 律？什么是宇宙的起源？等等。这些问题对于人们日常关心 的现实世界来说，似乎是另一个世界的事。然而，事实证明， 由于在这些
7、“学院式”问题上的进展所带来的技术进步，是不 能用任何其他东西代替得了的。 其次，他们都坚持自然科学的研究方法。尽管他们关心 的是抽象的问题，但是他们并不进行思辨式的空谈。相反，他 iv 们是采用理论和物理实验或天文观测相对比的方法来考查每 一个概念、每一种假说，由此来判断理论的是非成败。 再次，他们大都不仅仅是狭义的自然科学家，而且是具有 崇高胸怀的人。例如，爱因斯坦就是一位崇尚理性、崇尚科学 和民主的代表。他曾经说过： “人只有献身于社会，才能找到 那实际上是短暂而有风险的生命的意义。 ”(1)他还愤慨于那种 慑于强权而惧谈科学精神的态度，他说： “试问，要是乔尔丹 诺布鲁诺、斯宾诺莎、伏
8、尔泰和洪保德也都这样想。这样行 事，我们会在哪里呢？”(2) 正因此，他们和他们的理论往往不见容于当时的统治者。 伽利略遭到宗教法庭的迫害，爱因斯坦遭到德国法西斯的迫 害。可笑的是，甚至在七十年代，不学无术的“四人帮”大搞法 西斯文化专制主义时期，相对论还在中国遭到了围剿！尽管 这些历史，都已像恶梦一样地过去了，但是，今天回顾一下，不 仅对了解物理学的进展是有益的，甚至是必需的。因为，如果 我们只了解学术的细节，而不掌握科学的精神和科学之成为 真正科学的灵魂，那我们就不可能真正把科学移植过来，让她 生根、开花、结果。 这本小册子的目的，是打算介绍从牛顿定律到爱因斯坦 相对论的一些主要发展线索。
9、由于篇幅有限，加之不用（或仅 少量用）数学工具，所以，我们仅仅想把最基本的思想和概念 (1) 赵中立、许良英编译： 纪念爱因斯坦译文集 ，上海科技出版社，1979 年版，第 61 页。 (2) 同上，第 385 页。 v 交待清楚。也许这也是主观的愿望，实际上并没有达到，或没 有完全达到。很希望读者批评指正。 这本小册子是去年秋天在丛书编委会建议下才开始筹划 的。后来，我和褚耀泉同志陆续写出了一个初稿。现在，趁我 在意大利讲学期间，又抽出一些时间从头重新改写了一遍。 这几天，我住在林琴科学院，窗外一眼看到的就是印在伽利略 对话一书上的那个林琴科学院的院徽。虽然，这个世界上 最老的科学院的徽记已
10、经十分陈旧了，可是，每当写到伽利略 的时候，它都不能不使你肃然起敬。明天就是一九七九年三 月十四日，即爱因斯坦诞生整整百周年的日子，今天终于赶完 了全书，谨以此作为对伽利略和爱因斯坦这两位永远值得人 们景仰的科学巨子的纪念吧！ 方励之 1979.3.13 于罗马 vii 目 录 目 录 第一章 从亚里士多德到牛顿 1 时空观亚里士多德的宇宙中心牛顿时空观中 的相对与绝对马赫的批判 第二章 时间、空间和运动10 时间的测量长度的测量事件和世界线运 动的相对性速度的合成 第三章 从经典的速度合成到光速不变19 光学现象中的疑难超新星爆发和光速以太假 说麦克尔逊-莫雷实验光速是不变的新 的速度合成律
11、光速是极限超光速问题c 的测量 第四章 从伽利略相对性原理到狭义相对论33 萨尔维阿蒂的大船狭义相对论的两条原理 “同时”是相时的谁先动手因果关系 第五章 钟和尺的相对与绝对43 牛顿时空观中的时和空运动钟的变慢 子的 寿命双生子佯谬动尺的缩短汤普金斯先 生的错误洛仑兹变换 第六章 动力学问题56 viii 亚里士多德的力学动者恒动牛顿的力学规 律牛顿力学与光速极限的矛盾惯性质量随 速度的变化懒惰活泼新时代的一块奠基 石 第七章 从比萨斜塔到广义相对论65 比萨斜塔上的实验万有引力水星近日点的 进动引力质量 惯性质量的普适性引力的本性就是 “没有”引力局部惯性系什么是引力？爱 因斯坦的引力场方
12、程 第八章 从牛顿到后牛顿79 后牛顿修正行星近日点的进动自转轴的 进动引力红移光线弯曲雷达回波的延 迟 第九章 从经典的引力坍缩到黑洞90 再谈强场条件引力坍缩强场天体在何处？ 脉冲星是一种致密天体中子星的结构 黑洞黑洞是不毛的临界质量X 射线双 星 第十章 引力波的证实 106 爱因斯坦的预言宇宙中的引力波源韦伯的 实验双星引力辐射阻尼PSR191316一 个理想的相对论天空实验室引力辐射阻尼的证 实 ix 第十一章 从牛顿宇宙到宇宙的膨胀 117 从有限有边到无限无边牛顿无限宇宙的困难 “白痴”的问题有限无边的宇宙宇宙的 膨胀大爆炸宇宙学天体的年龄微波背 景辐射氦的丰度 第十二章 爱因斯
13、坦之后 134 对统一的追求大统一和宇宙的极早期引力 和量子论黑洞的发射超统一和奇性 1 第一章 从亚里士多德到牛顿 时空观 有一些物理概念是很平凡的。但平凡的概念却往往不是 简单的。 比如， “今天早上八点钟我在家里开始看书” ，这是一句很 普通的话。然而，其中已经涉及两个最基本的概念。 “今天早 上八点钟” ，是表示时间； “在家里” ，是地点，也就是空间位置。 时间和空间可以说是最常用、最平凡的概念了。可是，若问： 究竟什么是时间，什么是空间？却又不容易找到恰当的答 案。是的，这是两个很难回答的问题。尽管有不少人都曾给 时空下过这样或那样的定义。不过，很少是能令人十分满意 的。 在讨论物
14、理学问题的时候，一种正确的方法可能并不是 从概念的“严格”定义出发，而是从分析各种概念之间的具体 关系入手。因此，对于时间和空间这两个基本概念来说，重要 的问题并不在于它们的“纯粹”定义，而是它们之间的关系，以 及它们与物质运动的种种联系。 还是用上面那句话作为例子。 “早上八点”这个时间是以 你手上的表或家里的钟作为标准的。更正确地说，是采用北 2 京时间。显然，这个表述是相对的，如果东京时间，它就是九 点，而不是八点。这就是时间表述上的一种相对性，也就是时 间的一种属性。 如果有另外一个人，他说： “哈！我今天也是从早上八点 钟开始看书的” ，我们立即得到一个结论：这两个人是同时， 即同在
15、北京时间八点钟开始读书的。按照“常识” ，我们一定会 认为， “同时”这个性质是绝对的，而不是相对的。也就是说， 如果有两件事，按照一种钟（例如北京时间）来计时，它们是同 时发生的，那么，按照其它任何钟来计时，它们也必定是同时 发生的。其实，这个习惯性的论断并不是完全正确的。上述 两个人，同时开始看书这一点尽管按照北京时间或者东京时 间来说都是正确的，然而，对一个正在高速飞行的观察者来 说，当他用他的钟来计时，却发现，这两个人并不是“同时”开 始看书的。同时性并不是绝对的，而也是相对的：对一个观 察者来说是同时的两件事，对另一个观察者来说却可以是不 同时的。这个“违背”习惯的结论就是爱因斯坦的
16、相对论时空 观与伽利略、牛顿的经典力学时空观的一个重要区别。 所谓时空观，就是有关时间和空间的物理性质的认识。 时空观同自然科学的发展是密切相关的。科学上的重大变革 往往伴随着新时空观的产生。甚至，在一定意义下可以反过 来说，时空观的变革才是科学上大变革的基本标志。因此，如 果我们要想了解在人类的认识史上从亚里士多德到牛顿，又 从牛顿到爱因斯坦几次重大的进展，我们首先就应当了解他 们各自的时空观。 3 亚里士多德的宇宙中心 在欧洲，直到中世纪为止，亚里士多德的时空观大体占据 主导地位。在亚里士多德的理论体系中，地球位于整个宇宙 的中心。整个宇宙由环绕着地球的七个同心球壳组成。月 亮、太阳、行星
17、和恒星分别处在不同的球壳上。它们都作完美 的圆运动。今天，已经很少有人再相信这种宇宙结构图了。 的确，用今天已有的知识去批评亚里士多德，是很容易的事。 然而，昨天终归不是今天。在两千多年以前，亚里士多德就敢 于对宇宙给出一个统一的解释，敢于主张地球是一个球形，不 能不承认那是人类认识上的一次大飞跃。因为，在远古人的 观念中，大地是平坦的，它被安置在一只龟背上，而龟又漂浮 于大海之中（见图） 。怎么能想象地球是一个球体呢？按照当 时“习惯”的想法会认为：那些居住在我们的对蹠点上的人不 4 是早就“掉下”去了吗？可见，树立球形的地球观念需要克服相 当大的成见所带来的阻力。从时空观的角度来评价，可以
18、说， 亚里士多德的时空观是把“上”和“下”这两个方向相对化了。 我们看对蹠点的人在“下” ，对蹠点的人看我们也是在“下” 。也 就是空间各个方向是等价的，没有一个方向是具有特别的绝 对优越的性质。这就是空间方向上的相对性，提出这个观念， 是人类走向科学时空观的重要一步。 在亚里士多德的体系中，物体在宇宙中的位置具有关键 的作用。空间的位置是绝对的，地球的球心就是宇宙的中心。 每个物体都有各自的天然位置，只要没有阻挡，每个物体都力 图到达各自的天然位置。物体之所以会运动，其原因就是它 们还没有到达自己的天然位置。亚里士多德把宇宙空间分为 “月上” （比月球远）和“月下” （比月球近）两个完全不同
19、的世 界。太阳、月亮、星星等“天上”的东西的天然位置是在天球 上，因而它们随着天球作圆运动。地面附近的物体的天然位 置是在地球的中心，因此它们都作落体运动。这样，在亚里士 多德的时空观里，某些位置（例如地球的球心）是非常特殊的。 在支配物体运动的自然规律中，这些空间点具有决定性的作 用。这种特性，可以叫做空间点的绝对性。用今天的语言来 说，亚里士多德的空间，具有各向同性的性质，但却是不均匀 的，即空间各点的位置并不是等价的。 5 牛顿时空观中的相对与绝对 亚里士多德的时空观是在古希腊人对自然认识的基础上 发展起来的，它能适应于当时人们对自然现象的解释。随着 科学的发展，旧的认识被新的认识所替代
20、，旧的时空观也发展 到新的时空观。 以哥白尼伽利略牛顿为代表的新科学，在时空观上 的特征就是否定了亚里士多德体系中空间位置的绝对意义。 哥白尼否定了地球中心是整个宇宙中心这种绝对的意义。伽 利略直接了当地提出了相对性原理（在第四章中还要加以详 细讨论） 。牛顿则打破了“月上”和“月下”的界限，发现苹果落 地和月亮绕地球运行是由同一个原因引起的，而并不是由于 它们要回到自己的“天然位置”上去。因而，在牛顿的力学方 程中没有宇宙中心的地位，任何时空点都是平等的。相对于 任何时空点来计算，物理规律都是一样的。这就是新时空观 中的新相对性。 然而，路总是一步一步走的，牛顿尽管站在了亚里士多德 的肩上。
21、但是在他的力学中仍然引入了绝对静止的空间和绝 对不变的时间这两个概念。在自然哲学的数学原理一书 中，牛顿写道： “绝对空间，就其本性来说，与任何外在的情况 无关，始终保持着相似和不变。 ” “绝对的、纯粹的数学的时间， 就其本身和本性来说，均匀地流逝而与任何外在的情况无 关。 ”总之，在牛顿的时空观中，空间、时间和“外在的情况”这 6 三者都是相互独立的，无关的，空间的延伸和时间的流逝都是 绝对的。在这种意义上可以说，在牛顿的体系中仍然含有亚 里士多德式的绝对。 把“空间”设想成物体作机械运动的舞台和背景，是一种 十分自然的抽象。我们在日常生活中有这样的经验：在一个 箱子中可以放进一定数量的东
22、西。这是箱子的一种性质。可以 叫做箱子的容积，也就是箱子的空间。这个容积大小或空间 大小是与箱子里放什么东西（以及放不放东西）没有关系的。 在卖箱子的商店里，总是要标出 262010 等等尺寸，之 所以能这样标出，就是以容积是箱子的不受“外在的情况”影 响的本性这一点为依据的。进一步我们设想箱子无限地扩 大，这就得到了一个与任何特殊的物质无关的、绝对的空间。 它就是牛顿的绝对空间。 牛顿是一个经验论者，他不能容忍在他的体系中存在先 验的观念。他认为，物理的实在必须是能被感知的。那么，如 何来感知他所规定的“绝对空间”呢？牛顿设计了一个理想实 验，用来判断哪些运动是相对于绝对空间的绝对运动。这就
23、 是著名的水桶实验。若有一桶水，让它做旋转运动。开始时 桶壁旋转而水不运动，水与桶壁之间虽有相对运动，但水面却 和静止时是一样的，是一个平面。以后水逐渐被桶壁带动并 且和桶壁一起旋转，此时虽然水与桶壁之间并没有相对运动， 但水面呈凹形，桶边的水面略高，中间略低。因此，即使在水 与桶没有相对运动的情况下。我们也可以判断出水桶体系究 竟有没有相对于绝对空间的转动。这个判据是：若水面平坦， 7 则无绝对运动，若水面呈凹形，则有绝对的转动。这就是牛顿 提出的判别法。 到这里，牛顿的体系似乎已经很严整了。然而事情并非如 此。 马赫的批判 自从牛顿提出了绝对空间观念之后，就引起了一些科学 家和哲学家的思考
24、和怀疑。 如果真的存在一个有别于其它的绝对空间，那么，物体相 对于这个绝对空间的运动就应当是可以测量的，也就是说，每 个物体都具有一个确定的可以测量的绝对运动速度。 这就要 求必定存在一些物理规律，其中含有这个绝对速度。相反，如 果任何物理规律中都不含有这个绝对速度，我们就无法测量 它，也就不能感知它的绝对性。对于含有绝对速度的那些规 律来说，沿着绝对速度的方向和垂直于绝对速度的方向应当 是有区别的。换句话说，空间可能又变成各向不同性了。这 一点不仅在理论上会引起困难，而且在观测上也没有发现这 种各向异性现象。 莱布尼兹、贝克莱、马赫等人先后都对绝对时空观念提出 过异议。他们的主要基于哲学的批
25、判性分析对于时空观的进 一步发展起了开路的作用。利用哲学思考来促进科学的研 究，马赫等人的工作是个很好的典型。许多杰出的物理学家 都十分重视并经常地进行哲学思考，在时空观的发展史上，尤 其是如此。 8 马赫在发展中的力学一书中写道： “如果我们说一个 物体 K 只能由于另一物体 K 的作用而改变它的方向和速 度，那么，当我们用以判断物体 K 的运动的其它物体 A、B、 C都不存在的时候，我们就根本得不到这样的认识。因 此，我们实际上只认识到物体同 A、B、C的一种关系。 如果我们现在突然想忽略 A、B、C，而要谈物体 K 在绝 对空间中的行为，那么我们就要犯双重错误。首先，在 A、B、 C不存
26、在的情况下，我们就不能知道物体 K 将怎样行动； 其次我们因此也就没有任何方法可以用以判断物体 K 的行 为，并用以验证我们的论断。这样的论断因而也就没有任何 自然科学的意义。 ”就是这样，马赫揭示出抛开一些物质（A、 B、C）用所谓绝对空间来描述运动是不可能的。绝对空 间是缺乏自然科学的意义的。 根据这种观点，马赫认为牛顿水桶中水面的形式，并不反 映水桶是否相对于绝对空间有转动，而是反映水桶相对于地 球和其它天体是否有转动。水面变凹，并不是由于绝对转动 引起的，而是由于宇宙间各种物质对相对于它们转动的水桶 的作用结果。无论是水桶相对于宇宙间物质进行转动，或者 是宇宙间物质相对于水桶在转动，二
27、者结果是一样的，因为水 面都会同样地变凹。因此，水面变凹仅仅能证明水桶与宇宙 间其它物质（A、B、C）之间有相对转动，而不能证明绝 时空间的存在。马赫对水桶实验的分析，表现出他不仅把匀 速运动看成是相对的（没有一个相对于绝对空间的绝对速度 存在） ，而且把加速运动也看成是相对的（没有一个相对于绝 9 对空间的绝对加速度存在） 。这个思想，在爱因斯坦发展广义 相对论时，起过重要的作用。 爱因斯坦在讲到马赫时曾说： “马赫曾以其历史性的批 判著作对我们这一代自然科学家起过巨大的影响。 ”(1)马赫关 于惯性及惯性力起源于宇宙间物质的相互作用的观点，被爱 因斯坦等人称之为马赫原理。尽管马赫本人在晚年
28、并不承认 他自己是相对论的先驱，但是，客观地说，马赫对牛顿时空观 的分析和批判，确实是相对论时空观诞生前的一种启蒙。 从亚里士多德的空间方向的相对性，到牛顿体系中的位 置及时刻的相对性，再到马赫对绝对时空的批判，一代代自然 科学家逐步摆脱了人类关于时间与空间性质的种种不正确成 见，摆脱了种种似是而非的先验绝对性。爱因斯坦的工作是 这一总的历史趋势的进一步发展。在爱因斯坦的相对论时空 观中更进一步摒弃了一些我们习以为常但却并不正确的成 见。人类的时空观发展史已经使我们清楚地看到，由于我们 生活的时空范围太窄小了，因此，甚至我们对我们生活在其中 的时间及空间也还没有十分正确的认识。这就是时间空间的
29、 物理学所能给我们的第一个有益的经验。 在下面几章，我们将更仔细地陈述从牛顿到爱因斯坦，从 经典力学到相对论这一历史性的转变过程。在读这些章节的 时候，希望读者经常回顾一下上述的历史经验：要相信科学 的分析。而不要执着于某些似乎是与生俱来的成见。 (1) 许良英、范岱年编译： 爱因斯坦文集 ，第一卷，商务印书馆 1976 年版， 第 84 页。 10 第二章 时间、空间和运动 时间的测量 这一章主要是一些预备性的知识，我们先从最浅近的问 题讲起。 物理学是一门实验科学，物理规律都是从实验而且大都 是从定量的实验中总结出来的。因此，在研究空间和时间的 物理问题时，首先应当了解时间和空间是怎样量度
30、的。 说到时间的测量，自然会想到钟和表。不过，钟和表并不 是测量时间的唯一工具。 1583 年，有一位托斯卡纳的青年，他对比萨大教堂里的 吊灯摆动发生了兴趣，准备研究一下摆的规律。可是，当时还 没有钟。更没有秒表，吊灯摆动很快，怎样才能测定这种短暂 的时间呢？这位年轻的实验家想出了一种办法。他一手按着 自己的脉搏，数着跳动的次数，一边看着灯的运动。结果发现 了一条规律：摆幅尽管可大可小，而来回一次摆动中脉搏跳 动的次数却是一样的，也就是说摆的周期与摆幅无关。这个 有名的测量可以说是第一个科学物理学的实验。这位聪明的 实验家就是物理学的奠基人伽利略。 伽利略的方法表明了测量时间的关键是什么。从原
31、则上 11 说，任何具有重复性的过程都可以当作一种计时的钟。自然 界里有许多重复性过程，其中有一些我们早就把它们当作计 时的标准。比如太阳升没表示天；四季循环则为年；月亮的盈 亏是农历的月。这些都是 大家熟悉的。其它各种循 环过程，诸如双星的旋转、 人体的脉搏、吊灯的摆动、 分子的振动等等也都可以 作为计时的标准。总之，世 界上千千万万种不同的周 期运动都可以作为“钟” 。 当然，钟有好坏，比较两 个人的脉搏，就会发现它 们之间经常有明显的快慢 波动，因之，脉搏不是一种 好钟，它不够稳定。如果 比较一下两个单摆 的 周 期，就要稳定多了。脉冲 里的脉冲周期稳定性更要好得多。在 1967 年之前
32、，地球自转 被认为是最好的测时标准。1967 年以后，采用更稳定的“钟” 作为标准，即以铯原子 133Cs 的基态超精细结构间的微波辐射 周期 T 作为时间单位，T 与 1 秒之间的关系是 1 秒9,192,631,770T。 图 2-1 伽利略测量吊灯的摆动周期 12 长 度 的 测 量 测量长度的基本工具是尺。对于任何两点连线的长度， 测量方法就是从一点出发，一尺一尺地量到另一点为止。唐 代的天文学家张遂（一行）为了测定子午线上一度的距离，用 拉绳方法在河南省的开封、滑县、上蔡等地之间一段一段地测 量。这可能是人类史上严格按照用尺测长的最原始规定所进 行的最大规模的测量了。 尺也有许多种。
33、有一定长度的东西都可以当作尺。人体 的一部分就可以作为标准，英文中的英尺和脚是同一个字 （foot） ，原因就是这个单位当初是以脚长规定的。和时间测 量问题一样，应该选择一种好尺作为统一的标准。用各种材 料制成的尺，或多或少都会受环境因素的影响，不适于作为标 准。因此，近来已经放弃用巴黎的米尺原型作为国际标准，而 改用原子的发光过程，即以氪原子 86Kr 的2P 10 5d 5跃迁所发 射的光的波长 为标准单位。1 米的长度与 的关系是 1 米1,650,763.73 。 在讨论太阳系中的问题时，可以用地球与太阳之间的平 均距离作为单位， 这把 “尺” 的长度叫做一个天文单位(A.U.)， 至
34、于恒星间的距离，则常用光年来表示。一光年是光传播一 年所走过的距离，大约是 9.51015米。例如，离我们最近的 一颗恒星比邻星，大约有 4 光年之远。这个数据不仅告诉我们 距离的遥远，而且也告诉我们今天地面上看到的比邻星，是它 13 在 4 年之前的情况，因为 4 年前从那里发出的光，今天恰好到 达地球。这就是说，当我们观看遥远的星体时，只要你能看得 越远。你也就看到了时间上更早的情况。这个事实，已经开始 显示出时间与空间往往是有联系的。 事件和世界线 规定了时间和长度的测量法，就可以研究物体的运动 了。 所谓运动。就宏观物理来说，就是一系列由时间和空间所 标志的事件。一张列车时刻表，写满了
35、火车顺序到达的一系 列站名及时刻。每一个站名和到达的时刻，就是一个事件。 站 名 自 昆 明 起 计（公里） 昆沪直快 柳 州 1246 08 20.04 宜 山 1157 26 18.16 金 城 江 1085 17.00 16.45 南 丹 984 17 14.12 火车的运动就是由这些事件构成的。一般地说，一个时刻和 一个地点合在一起构成一个事件，宏观物体的运动可以分解 为一系列的事件，事件是构成宏观物体运动的基本要素。 我们还可以用图形的方法来描写火车的运动。在下图中 14 横轴表示离开昆明的距离，纵轴表示北京时间。这是一幅时 间-空间图。每一个事件（即一个位置和一个时刻）在图上相 当
36、于一个点。例如，A 点就表示列车于 16.45 在金城江这一 图 2-2 物体的运动可以用时间-空间图中相应的世界线来表示 事件。火车的运行在图上用一条线来表示。当火车到达一个 车站停下来时，在时空图中就用一条平行于时间轴的直线来 表达。因为，火车停了，所以它的横坐标（即位置）不变化，而 时间仍在不停地流逝。时空图上的曲线称为世界线。任何一 个运动，在时空图上都有自己相应的世界线。 运动的相对性 在上面的列车时刻表中，距离是“从昆明计起” ，时间是北 京时间。如果有人采用“自贵阳计起”的距离，或者不用北京 时间，那么他编制的表上的数字就完全不同了。这就是说，一 15 个事件，如果用不同的标志时
37、间和空间的方法来描写，其数值 是不相同的，这种相对性在上一章已经交待过了。 不仅事件的描写有相对性，而且运动的形态也不是绝对 的。意思是说，对于不同的观察者来说，同一运动也会表现出 不同的形态。 在一个没有风的雨天，如果有两个人，一个 K，一个 K， 他们都来研究雨点的运动轨迹。观测者 K 站在地面上没有走 动。他将看到雨滴是垂直下落的。因此，他总是把伞撑直。观 测者 K 在快步前进，他看到的雨滴是斜向着他运动的。因 而，他总是斜撑着伞，以防被淋湿。所以，当有人问你雨滴到 底是沿什么方向运动这个问题的时候，你必须反问：相对于 图 2-3 运动形态的相对性 16 那一个观测者来说？不指明确定的观
38、察者，这个问题本身就 没有什么意义了。 通常。我们把一个观察者（即一种确定的时间和位置的测 量）称做一个参考系。上面分析的结论是：相对于参考系 K， 雨滴是垂直向下运动的；相对于参考系 K，雨滴则是斜向运 动的。这就是运动形态的相对性。 速度的合成 速度是标志物体运动快慢和运动方向的物理量。速度也 有相对性。这是说，同一物体的运动速度，相对于不同的参考 系（即不同的观察者）来说，是不相同的。物体运动是快是慢， 向什么方向，只有对于一定的参考系来讨论才有意义。 再来谈谈我们的 K 和 K 。当 K 走得越来越快时，他不 但会看到雨滴新常态下我国经济发展情况，我国的经济发展存在着较为明显的减速，所
39、以应该引起重视。此外，在发展的角度上看，新常态的经济法发展主要是贸易区进行，是通过市场的发展来得到进一步的发展，粗放型经济发展模式的消失，代表着我国经济市场恢复了正常。（二）项目建设有利条件项目投资环境优良，当地为招商引资出台了一系列优惠政策，为投资项目建设营造了良好的投资环境；项目建设地拥有完善的交通、通讯、供水、供电设施和工业配套条件，项目建设区域市场优势明显，对投资项目的顺利实施和建成后取得良好经济效益十分有利。（三）企业可持续发展的必然选择投资项目的建设可以大幅度提升项目产品的生产、研发水平，有利于促进我国相关行业稳定健康发展；项目承办单位具有较高项目产品制造工艺技术、生产设备和新产品
40、的研发能力，近年来，项目承办单位在消化、吸收国际先进项目产品制造技术的基础上，持续加大对项目产品生产技术及相关材料的研发投入，形成了在国内同行业领先的技术优势。当今高速增长的中国经济又一次面临世界经济风云变幻的新一轮挑战，为确保中国经济的顺利发展，离不开相关工业的支撑和发展；建设好项目，将有助于发挥项目承办单位集聚效应、资源共享、充分协作、合理竞争，同时，在一定程度上还有助于快速提高当地项目产品制造工业的技术水平和行业市场竞争能力，对于项目产品制造企业为国家实现产业振兴计划、推进产业结构调整和优化升级，都具有十分重要的现实意义。（三）符合行业发展的客观需要（略）第三章 市场需求预测分析（一）甜
41、菊饮品行业市场分析（略）（二）区域内甜菊饮品行业发展分析（略）目前，区域内拥有各类甜菊饮品企业957家，规模以上企业23家，从业人员47850人。截至2017年底，区域内甜菊饮品产值188543.17万元，较2016年168342.12万元增长12.00%。产值前十位企业合计收入81921.11万元，较去年68450.13万元同比增长19.68%。区域内甜菊饮品企业经营状况良好。以AAA为例，2017年产值20070.67万元，较上年度17174.97万元增长16.86%，其中主营业务收入19492.42万元。2017年实现利润总额6782.20万元，同比增长17.77%；实现净利润2500.
42、42万元，同比增长28.76%；纳税总额156.12万元，同比增长14.70%。2017年底，AAA资产总额49824.83万元，资产负债率21.30%。2017年区域内甜菊饮品企业实现工业增加值70451.79万元，同比2016年60645.42万元增长16.17%；行业净利润23034.73万元，同比2016年20592.46万元增长11.86%；行业纳税总额32591.12万元，同比2016年27996.84万元增长16.41%；甜菊饮品行业完成投资64848.61万元，同比2016年56233.62万元增长15.32%。区域内经济发展持续向好，预计到2020年地区生产总值6000.09
43、亿元，年均增长6.60%。预计区域内甜菊饮品行业市场需求规模将达到285373.95万元，利润总额78860.19万元，净利润27513.81万元，纳税18525.28万元，工业增加值89665.46万元，产业贡献率13.18%。第四章 建设规模和产品规划方案合理性分析一、产品规划（略）二、建设规模（一）用地规模该项目总征地面积27053.52平方米（折合约40.56亩），其中：净用地面积27053.52平方米（红线范围折合约40.56亩）。项目规划总建筑面积27865.13平方米，其中：规划建设主体工程20403.70平方米，计容建筑面积27865.13平方米；预计建筑工程投资1951.19
44、万元。（二）设备购置项目计划购置设备共计133台（套），设备购置费3560.46万元。（三）产能规模项目计划总投资9458.08万元；预计年实现营业收入20032.00万元。第五章 甜菊饮品项目选址科学性分析一、甜菊饮品项目建设选址原则为了更好地发挥其经济效益并综合考虑环境等多方面的因素，根据甜菊饮品项目选址的一般原则和甜菊饮品项目建设地的实际情况，“甜菊饮品项目”选址应遵循以下原则：1、布局相对独立，便于集中开展科研、生产经营和管理活动。2、与甜菊饮品项目建设地的建成区有较方便的联系。3、地理条件较好，并有足够的发展潜力。4、城市基础设施等配套较为完善。5、以城市总体规划为依据，统筹考虑用地
45、与城市发展的关系。6、兼顾环境因素影响，具有可持续发展的条件。二、甜菊饮品项目选址方案及土地权属（一）甜菊饮品项目选址方案1、甜菊饮品项目建设单位通过对甜菊饮品项目拟建场地缜密调研，充分考虑了甜菊饮品项目生产所需的内部和外部条件：距原料产地的远近、企业劳动力成本、生产成本以及拟建区域产业配套情况、基础设施条件及土地成本等。2、通过对可供选择的建设地区进行比选，综合考虑后选定的甜菊饮品项目最佳建设地点甜菊饮品项目建设地，所选区域完善的基础设施和配套的生活设施为甜菊饮品项目建设提供了良好的投资环境。（二）土地权属类别（略）三、甜菊饮品项目建设区概况（略）四、场址建设条件（一）地理条件（略）（二）地
46、形地貌（略）（三）水文条件（略）（四）工程地质条件1、根据建筑抗震设计规范（GB50011）标准要求，甜菊饮品项目建设地无活动断裂性通过，无液化土层及可能震陷的土层分布，地层均匀性密实较好，因此，本期工程甜菊饮品项目建设区处于地质构造运动相对良好的地带，地下水为上层滞水，对混凝土无腐蚀性，各土层分布稳定、均匀而适宜建筑。2、拟建场地目前尚未进行地质勘探，参考临近建筑物的地质资料，地基土层由第四系全新统（Q4）杂填土、粉质粘土、淤泥质粉土、圆砾卵石层组成，圆砾卵石作为建筑物的持力层，Pk=300.00Kpa；建设区域地质抗风化能力较强，地层承载力高，工程地质条件较好，不会受到滑坡及泥石流等次生灾
47、害的影响，无不良地质现象，地壳处于稳定状态，场地地貌简单适应本期工程甜菊饮品项目建设。（五）场地地震效应（略）（六）交通条件（略）（七）信息传输条件（略）五、甜菊饮品项目用地总体要求（一）甜菊饮品项目用地控制指标分析1、“甜菊饮品项目”均按照项目建设地建设用地规划许可证及建设用地规划设计要求进行设计，同时，严格按照建设规划部门与国土资源管理部门提供的界址点坐标及用地方案图布置场区总平面图。2、建设甜菊饮品项目平面布置符合轻工产品制造行业、重点产品的厂房建设和单位面积产能设计规定标准，达到工业甜菊饮品项目建设用地控制指标（国土资发【2008】24号）文件规定的具体要求。（二）甜菊饮品项目建设条件比选方案1、甜菊饮品项目建设单位通过对可供选择的建设地区进行缜密比选后，充分考虑了甜菊饮品项目拟建区域的交通条件、土地取得成本及职工交通便利条件，甜菊饮品项目经营期所需的内外部条件：距原料产地的远近、企业劳动力成本、生产
