相对论究竟是什么意思?
相对论,顾名思义就是关于“相对”的理论。
这个“相对”是和绝对参考系、绝对时间等概念中的“绝对”对应的。
一开始推导出狭义相对论的基本假设有:相对性原理、光速不变原理。同时为了进行数学计算,还引入了“事件间隔”的定义。 狭义相对论只用于讨论发生在惯性系内的现象。
广义相对论似乎是把讨论问题的范围推广到非惯性系和引力场作用下,不过我没学过,所以就不多说了。
下面说说狭义相对论产生的前前后后:
研究者们一开始都在承认绝对时间和绝对空间的前提下搞研究。 比如,你先在高速行使的列车上,再在静止的铁轨边搞测量、做实验,每次都量同一个东西,也都测一下相同单摆摆动一个周期用的时间;而有人一直站在铁轨...全部
相对论,顾名思义就是关于“相对”的理论。
这个“相对”是和绝对参考系、绝对时间等概念中的“绝对”对应的。
一开始推导出狭义相对论的基本假设有:相对性原理、光速不变原理。同时为了进行数学计算,还引入了“事件间隔”的定义。
狭义相对论只用于讨论发生在惯性系内的现象。
广义相对论似乎是把讨论问题的范围推广到非惯性系和引力场作用下,不过我没学过,所以就不多说了。
下面说说狭义相对论产生的前前后后:
研究者们一开始都在承认绝对时间和绝对空间的前提下搞研究。
比如,你先在高速行使的列车上,再在静止的铁轨边搞测量、做实验,每次都量同一个东西,也都测一下相同单摆摆动一个周期用的时间;而有人一直站在铁轨边,设法在你做这些实验时,也记录下你手里的仪器上的读数。
下面是结果:
对于你来说,既然这些物理实验都是在你面前做的,那么其结果都应该一样(车上车下结果没区别);
对于那个看你仪器读数的人来说,因为你的实验仪器和过程都没差别的,而实验结果应该也是不受实验地点运动状态影响的,所以他的读数也都没差别。
这两个人的结论,前者被归结为相对性原理,即在各种惯性系(也就是观察者和实验设备都做相同的匀速直线运动)里物理过程的结果都一样,这大约从伽利略的时候就开始被认识;后者就是绝对时空的概念,牛顿力学里一直在用。
这两个基本共识应该是没有矛盾的。
——真的是这样么?实际上有这样一个可能,绝对时空或者相对性原理有可能只是马马乎乎的成立,不过早期的实验比较粗糙,表现不出来这种差异而已;就象靠眼睛观察天象的年代里,本轮+均轮描述行星运动的理论一样,会因为详细精确的观测资料出现,而被该进为椭圆轨道理论。
然后到了近代,研究者们开始试图在理论上计算出光速。成功的例子似乎就是麦克斯韦从他的电磁场基本方程入手,推导出的电磁波波动方程。结果是电磁波在真空里的速度C,可以用两个常量表示出来。如果你在某个地方做实验测出这两个常量的具体数值,那么按照上面的麦克斯韦的理论,光经过这个地方的光速也就出来了。
现在仿照上面的量长度、测单摆周期的实验,你分别在开动的火车上和静止在地面上做测量这些常数的实验,那么:
1)
沿用相对性原理,你面前的仪器读数都一样,因此至少你可以判断,二处的光速一样。
——如果电磁学现象也能和力学现象一样运用相对性原理,那么这么做没问题。
2)
然后运用绝对时空概念。
车下的实验指出,在车下的仪器里,光速为C;车上的仪器指出,在车上的仪器里光速为C。考虑到火车的速度,在地上的实验者的观察结果似乎是车上车下光速不同。
这样,如果设法让两束光先后经过地上观察者身边,虽然光经过的地方相同,但是速度不同。
把这个思想实验的结果和关于光的物理理论——麦克斯韦理论对照,你发现麦氏理论里,光的波动方程没有考虑光源的问题,只说某地光速和某地的那两个电磁学常量有关。
这么说经过地上观察者身边的光,速度应该一致,而不是想上面的思想实验那样得出速度不同的结论。考虑到麦氏理论的实验基础很丰富、也很可靠,那么它的推论——光速只和光经过的介质的特性有关应该是可靠的。
这也就是真空光速为常数C,和光源速度无关。(光源速度影响光的频率,这到是有实验基础的)
那么“火车速度不影响光速”。这样由于不管在车上还是车下,仪器里的光速对于地上的观察者而言都是C。当然这里的地不是我们所说的地球,而是某种能“绝对”没有运动的地方。
毕竟,既然光速和光源运动无关而总是C。如果你反而胡乱运动起来,看到的光速里反而要扣掉你的运动速度了。就好比子弹速度飞快,但是你也能做在飞快的火车上,看到外面的子弹就静止在你的窗外。然后问题就来了,如果光速都是C,那么如果你的火车也是以光速C运动,那么光对于你而言不就静止了么?
这就和相对性原理矛盾了:既然都是面前的仪器来测光速,而你的运动状态都是匀速直线运动,那么你的测量结果算出的光速应该都是C,怎么会光速反而变成0了呢?显然这个思想实验也用到了不该用的假设。
这里涉及到了三个比较关键的物理概念:相对性原理、光速不变、绝对时空。如果要解决上面的矛盾,那么这三者应该就不能同时沿用,或者还可能要加入别的概念。
比如,有人引入了“以太”的概念,说光其实是另一种机械振动,让光振动的介质就是以太。
就象声音通过空气传播一样,如果光也的传播也具有机械波的特点,而光传播的介质又能被运动的火车一起带动,那么上面的矛盾也就解决了。问题是,这个概念没有实验基础。
又有说法,说光速其实受到光源速度的影响。
问题出在光速不变原理。这就等于质疑实验基础丰富,数学形式也很简洁的麦克斯韦理论。
爱因斯坦撇开绝对时空概念,沿用相对性原理、光速不变原理,然后运用数学推导发展出狭义相对论;这个理论能很好的解释麦克尔逊-莫雷实验等实验现象,能消除上面说的电磁现象和相对性原理的矛盾,同时又不必引入另外的没有实验基础的概念;而原来使用绝对时空概念描述并没有矛盾的现象,运用狭义相对论也能在数值上得出同样的结果,所以绝对时空概念并不是必要的。
这样推导出的狭义相对论能,既能解决矛盾,又不会引狼入室似地引入莫名其妙的假设,所以作为一个理论而言是很成功的;
另一方面,在技术条件成熟后,狭义相对论的一些推论,比如“钟慢”等,也被实验证实;而其它领域的一些新的现象,比如基本粒子的寿命因为其被加速器加速而延长等,也能用狭义相对论来解释。
因为理论上成功,和实验又没矛盾;能解释旧现象,也能解释新现象,所以狭义相对论才被广为接受。
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