什么是相对论?一般化?狭义?

1905年,爱因斯坦(1879—1955)发表了他的狭义相对论。这个理论指出宇宙中唯一不变的是真空中的光速...爱因斯坦从他的狭义相对论中推导出方程E=MC2(其中E是能量,m是质量,c是光速不变)。

狭义相对论

1905年,德国出生的美国物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879-1955)发表了他的狭义相对论。这个理论指出,宇宙中唯一不变的是真空中的光速,其他一切——速度、长度、质量和经过的时间——都随着观察者的参照系(具体观察)而变化。这个理论解决了很多困扰物理学家很久的问题。这个理论形成了一个著名的公式:E=MC2,即能量(E)等于质量(m)的平方乘以光速(c)。

相对时间

狭义相对论认为时间不是绝对的(即固定的)。爱因斯坦指出,随着物体的直线运动速度(在观察者看来)增加,时间会变慢。同步原子钟的使用证明了这一结论的正确性。把一个钟留在地上,同时以很快的速度(比如在喷气式飞机上)载着另一个钟,然后对比,静止的钟总是比另一个钟快一点。

相对长度

爱尔兰物理学家乔治·菲茨杰拉德(1851—1901)提出,物质会在运动的方向上收缩(缩小),这意味着根据静止观察者的观点,在光附近运行的火箭会显示出比静止时更短的长度,尽管这对乘坐火箭的人来说似乎没什么。爱因斯坦指出,任何物体以光速运动时,其长度都会缩短为零。

时空

在爱因斯坦发表相对论的两百年前,英国物理学家艾萨克·牛顿(1643-1727)提出时间和空间是绝对的,空间和时间是完全分离的。但在相对论数学中,时间和三维空间——长、宽、高——共同构成了四维空间框架,称为时空关联集。

斯拉文

爱因斯坦从他的狭义相对论中推导出方程E=MC2(其中E是能量,m是质量,c是光速不变),他用这个方程解释了质量和能量是等价的。现在认为,质量和能量是同一种物质的不同形式,称为质量能量。例如,如果一个物体的能量减少了一定的量e,它的质量也减少了与MC2相等的量。但是,质量能否消失,只是以另一种形式释放出来,这种形式叫做辐射能。

伽利略相对性原理的经典物理学是从否定亚里士多德的时空观开始的。当时发生了激烈的争论。赞同哥白尼学说的人主张地球是运动的,而维护亚里士多德-托勒密体系的人主张地球是静止的。静学派有很强的理由反对地动说:如果地球在高速运动,为什么地面上的人完全感觉不到?这确实是一个无法回避的问题。

1632年,伽利略发表了他的代表作《托勒密与哥白尼的对话》。书中地震派的“Salviati”对上述问题做了透彻的回答。他说:“把你和几个朋友放在大船甲板下的主舱里,让你带几只苍蝇、蝴蝶等小飞虫,在舱里放一个大水碗,里面有一些鱼。”然后,挂一个水瓶,让水滴入下面的广口瓶。船和鱼向四面八方自由游动,水滴滴入下面的罐子里。当你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,你不必在一个方向比另一个方向用更多的力。你的脚一起跳,任何方向跳的距离都是一样的。当你仔细观察这些东西,然后让船以任意速度运动,只要运动均匀,不左右摇摆,你就会发现,上述现象一点都没变。你无法从这些现象中判断出这艘船是在移动还是静止不动。即使船移动得相当快,你也不可能跳到比船头更远的船尾。虽然当你跳到空中时,船底的运动方向与你跳的方向相反。当你向你的伙伴扔任何东西的时候,不管他是在船头还是在船尾,只要你站在对面,就不需要用更多的力。水滴会像以前一样滴到下面的罐子里,一滴也不会滴到船尾。虽然水滴在空中,但船已经行驶了很多柞(从大指尖到小指尖的长度,通常为九寸,是古代的长度单位)。鱼游到水碗前所用的力不大于游到水碗后所用的力;它们悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的诱饵。最后,蝴蝶和苍蝇继续漫不经心地飞来飞去,它们永远不会把注意力集中在船尾,而不是因为它们可能在空中停留了很长时间,摆脱了船的运动,看起来很疲倦地追赶着船的运动。"

萨维阿提的大船讲述了一个极其重要的道理,那就是你无法从船上发生的任何现象判断出船是在运动还是静止。现在这个论文叫做伽利略的相对性原理。

用现代的语言来说,萨尔维亚蒂的大船就是所谓的惯性参考系。也就是说,以不同匀速运动而不左右摇摆的船舶,就是惯性参考系。在一个惯性系里能看到的各种现象,在另一个惯性系里一定能看到,没有任何区别。也就是说,所有的惯性参考系都是相等的,等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系处于绝对静止,哪个处于绝对运动。

伽利略的相对论原理不仅从根本上否定了静止一方对地动学说的批判,而且否定了绝对空间的概念(至少在惯性运动的范围内)。因此,在经典力学向相对论的过渡中,经典力学的许多概念都要改变,但伽利略的相对论原理不仅不需要修改,而且成为狭义相对论的两个基本原理之一。

狭义相对论的两个原理1905,爱因斯坦发表了奠基性论文《论运动物体的电动力学》。关于狭义相对论的基本原理,他写道:“以下考虑是基于相对性原理和光速不变原理。我们规定这两项原则如下:

1.物理系统状态变化所遵循的规律,与用两个匀速运动的坐标系中的哪一个来描述这些状态的变化无关。

2.任何光在“静止”坐标系中都以一定的速度c运动,不管光是由静止的还是运动的物体发出的。"

第一个是性的原理,第二个是光速不变。整个狭义相对论就是基于这两个基本原理。

爱因斯坦的哲学是,自然应该是和谐简单的。事实上,他的理论通常有一个显著的特点:简单而深奥。狭义相对论就是一个具有这种特征的系统。狭义相对论的两个基本原理看似不难接受的“简单事实”,但它们的推论从根本上改变了牛顿以来的物理学基础。