狭义相对论试说出狭义相对论的内容
狭义相对论
1905年,出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879──1955)发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度,其它任何事物──速度、长度、质量和经过的时间,都随观察者的参考系(特定观察)而变化。 该理论解决了许多困扰了物理学家们很长时间的问题,这个理论形成了一个著名的公式:E=MC2,也就是能量(E)等于质量(M)乘以光速(C)的平方。
相对时间
狭义相对论认为时间不是绝对的(即固定不变的)。 爱因斯坦指出,随着物体(观察者所见到的)线性运动速度的加快,时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性,将一个钟表留在地面上...全部
狭义相对论
1905年,出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特·爱因斯坦(1879──1955)发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度,其它任何事物──速度、长度、质量和经过的时间,都随观察者的参考系(特定观察)而变化。
该理论解决了许多困扰了物理学家们很长时间的问题,这个理论形成了一个著名的公式:E=MC2,也就是能量(E)等于质量(M)乘以光速(C)的平方。
相对时间
狭义相对论认为时间不是绝对的(即固定不变的)。
爱因斯坦指出,随着物体(观察者所见到的)线性运动速度的加快,时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性,将一个钟表留在地面上,而携带另一个以很快速度移动(如在喷气式飞机上),随后进行比较,静止的钟表总比另一个稍微快一点。
相对长度
爱尔兰物理学家乔治·佛兹杰拉德(1851──1901)提出,物质会在运动的方向上收缩(缩小),这意味着根据一个静止观察者的观点,一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短,尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。
爱因斯坦指出,任何物体以光速运动时,其长度将会缩短为零。
时空
爱因斯坦发表他的相对论二百年前,英国物理学家艾萨克·牛顿(1643──1727)提出时间和空间都是绝对的,空间和时间是完全分开的。
然而,在相对论数学中,时间和三维空间──长、宽和高,一起构成一个四维空间框架,叫做时空关联集。
质量和能量
爱因斯坦从他的狭义相对论中推导出等式E=MC2(这里E是能量,M是质量,C是恒定的光速),他用这个等式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,称为质能。例如,如果一个物体的能量减少了一定量E,则它的质量也减少等于MC2的量,然而,质能不会消失,只不过以另一种形式被释放,它叫辐射能量。
伽利略相对性原理 经典物理学是从否定亚里士多德的时空观开始的。
当时曾有一场激烈的争论。赞成哥白尼学说的人主张地球在运动,维护亚里士多德-托勒密体系的人则主张地静说。地静派有一条反对地动说的强硬理由:如果地球是在高速地运动,为什么在地面上的人一点也感觉不出来呢?这的确是不能回避的一个问题。
1632年,伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维阿蒂”对上述问题给了一个彻底的回答。他说:“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里,让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫,舱内放一只大水碗,其中有几条鱼。
然后,挂上一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船鱼向各个方向随便游动,水滴滴进下面的罐口,你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳,无论向哪个方向跳 过的距离都相等。
当你仔细地观察这些事情之后,再使船以任何速度前进,只要运动是匀速,也不忽左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快,你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。
虽然你跳到空中时,脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时,不论他是在船头还是在船尾,只要你自己站在对面,你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样,滴进下面的罐子,一滴也不会滴向船尾。
虽然水滴在空中时,船已行驶了许多柞(为大指尖到小指尖伸开之长,通常为九英寸,是古代的一种长度单位)。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大;它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。
最后,蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行,它们也决不会向船尾集中,并不因为它们可能长时间留在空中,脱离开了船的运动,为赶上船的运动而显出累的样子。”
萨尔维阿蒂的大船道出一条极为重要的真理,即:从船中发生的任何一种现象,你是无法判断船究竟是在运动还是停着不动。
现在称这个论断为伽利略相对性原理。
用现代的语言来说,萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。就是说,以不同的匀速运动着而又不忽左忽右摆动的船都是惯性参考系。在一个惯性系中能看到的种种现象,在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到。
亦即,所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态,哪一个又是绝对运动的。
伽利略相对性原理不仅从根本上否定了地静派对地动说的非难,而且也否定了绝对空间观念(至少在惯性运动范围内)。
所以,在从经典力学到相对论的过渡中,许多经典力学的观念都要加以改变,唯独伽利略相对性原理却不仅不需要加以任何修正,而且成了狭义相对论的两条基本原理之一。
狭义相对论的两条原理 1905年,爱因斯坦发表了狭义相对论的奠基性论文《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: “下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的,这两条原理我们规定如下:
1.物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。
2.任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”
其中第一条就是性原理,第二条是光速不变性。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。
爱因斯坦的哲学观念是,自然界应当是和谐而简单的。的确,他的理论常有一种引人注目的特色:出于简单而归于深奥。狭义相对论就是具有这种特色的一个体系。狭义相对论的两条基本原理似乎是并不难接受的“简单事实”,然而它们的推论却根本地改变了牛顿以来物理学的根基。
广义相对论:一个极其不可思议的世界
广义相对论的基本概念解释:
在开始阅读本短文并了解广义相对论的关键特点之前,我们必须假定一件事情:狭义相对论是正确的。这也就是说,广义相对论是基于狭义相对论的。
如果后者被证明是错误的,整个理论的大厦都将垮塌。
为了理解广义相对论,我们必须明确质量在经典力学中是如何定义的。
质量的两种不同表述:
首先,让我们思考一下质量在日常生活中代表什么。
“它是重量”?事实上,我们认为质量是某种可称量的东西,正如我们是这样度量它的:我们把需要测出其质量的物体放在一架天平上。我们这样做是利用了质量的什么性质呢?是地球和被测物体相互吸引的事实。这种质量被称作“引力质量”。
我们称它为“引力的”是因为它决定了宇宙中所有星星和恒星的运行:地球和太阳间的引力质量驱使地球围绕后者作近乎圆形的环绕运动。
现在,试着在一个平面上推你的汽车。你不能否认你的汽车强烈地反抗着你要给它的加速度。
这是因为你的汽车有一个非常大的质量。移动轻的物体要比移动重的物体轻松。质量也可以用另一种方式定义:“它反抗加速度”。这种质量被称作“惯性质量”。
因此我们得出这个结论:我们可以用两种方法度量质量。
要么我们称它的重量(非常简单),要么我们测量它对加速度的抵抗(使用牛顿定律)。
人们做了许多实验以测量同一物体的惯性质量和引力质量。所有的实验结果都得出同一结论:惯性质量等于引力质量。
牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反,爱因斯坦发现这种等同性中存在着一条取代牛顿理论的通道。
日常经验验证了这一等同性:两个物体(一轻一重)会以相同的速度“下落”。
然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会“落”得更快呢?因为它对加速度的抵抗更强。结论是,引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。重要的是你应该明白,引力场中所有的物体“以同一速度下落”是(经典力学中)惯性质量和引力质量等同的结果。
现在我们关注一下“下落”这个表述。物体“下落”是由于地球的引力质量产生了地球的引力场。两个物体在所有相同的引力场中的速度相同。不论是月亮的还是太阳的,它们以相同的比率被加速。这就是说它们的速度在每秒钟内的增量相同。
(加速度是速度每秒的增加值)
引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设 。
爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释。为了这个目标,他作出了被称作“等同原理”的第三假设。
它说明:如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速,那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它(该惯性系)是静止的。
让我们来考查一个惯性系K’,它有一个相对于伽利略系的均匀加速运动。
在K 和K’周围有许多物体。此物体相对于K是静止的。因此这些物体相对于K’有一个相同的加速运动。这个加速度对所有的物体都是相同的,并且与K’相对于K的加速度方向相反。我们说过,在一个引力场中所有物体的加速度的大小都是相同的,因此其效果等同于K’是静止的并且存在一个均匀的引力场。
因此如果我们确立等同原理,两个物体的质量相等只是它的一个简单推论。 这就是为什么(质量)等同是支持等同原理的一个重要论据。
通过假定K’静止且引力场存在,我们将K’理解为一个伽利略系,(这样我们就可以)在其中研究力学规律。
由此爱因斯坦确立了他的第四个原理。
希望我的回答可以解决您的疑惑,谢谢。
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