我心中的相對論

我心中的相對論第一頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三Doyouunderstand？相對論的背景

什么是相對論相對論的作用第二頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三相對論產(chǎn)生背景歷史背景及重要實(shí)驗基礎(chǔ)

19世紀(jì)末期物理學(xué)家湯姆遜在一次國際會議上講到“物理學(xué)大廈已經(jīng)建成，以后的工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷”。但是，他話鋒一轉(zhuǎn)又說：“大廈上空還漂浮著兩朵‘烏云’，麥克爾遜－莫雷試驗結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難。”正是為了解決上述兩問題，物理學(xué)發(fā)生了一場深刻的革命導(dǎo)致了相對論和量子力早在電動力學(xué)麥克斯韋方程建立之日，人們就發(fā)現(xiàn)它沒有涉及參照系問題。人們利用經(jīng)典力學(xué)的時空理論討論電動學(xué)方程，發(fā)現(xiàn)在伽利略變換下麥克斯韋方程及其導(dǎo)出的方程（如亥姆霍茲，達(dá)朗貝爾等方程）在不同慣性系下形式不同，這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)怎樣解釋？經(jīng)過幾十年的探索，在1905年終于由愛因斯坦創(chuàng)建了狹義相對論。相對論是一個時空理論，要理解狹義相對論時空理論先要了解經(jīng)典時空理論的內(nèi)容。所以要認(rèn)真看以下的內(nèi)容，有利于對相對論的理解。第三頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三相對論的概述相對論是關(guān)于時空和引力的基本理論，主要由阿爾伯特·愛因斯坦(AlbertEinstein)創(chuàng)立，分為狹義相對論(特殊相對論)和廣義相對論(一般相對論)。相對論的基本假設(shè)是相對性原理，即物理定律與參照系的選擇無關(guān)。狹義相對論和廣義相對論的區(qū)別是，前者討論的是勻速直線運(yùn)動的參照系（慣性參照系）之間的物理定律，后者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設(shè)下，廣泛應(yīng)用于引力場中。相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，不適用于高速運(yùn)動的物體和微觀領(lǐng)域。相對論解決了高速運(yùn)動問題；量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問題。第四頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三

相對論顛覆了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“時間和空間的相對性”、“四維時空”、“彎曲空間”等全新的概念。狹義相對論提出于1905年，廣義相對論提出于1915年[愛因斯坦在1915年末完成廣義相對論的創(chuàng)建工作，在1916年初正式發(fā)表相關(guān)論文。由于牛頓定律給狹義相對論提出了困難，即任何空間位置的任何物體都要受到力的作用。因此，在整個宇宙中不存在慣性觀測者。愛因斯坦為了解決這一問題又提出了廣義相對論。狹義相對論最著名的推論是質(zhì)能公式，它說明了質(zhì)量隨能量的增加而增加。第五頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三

相對論與原子彈的關(guān)系相對論最著名的婦孺皆知的方程式就是“相對論質(zhì)能方程”。數(shù)學(xué)表達(dá)式為：E=mc2（E能量m質(zhì)量c光速）由于c的平方是一個很大的數(shù)，所以一個很小的質(zhì)量都可以爆發(fā)出很大的質(zhì)量。它的一項后果是意識到，如果鈾原子核裂變成總質(zhì)量稍小的兩個核，就會釋放出巨大的能量，即核裂變，這也是原子彈的能量釋放的原理。1993年第二次世界大戰(zhàn)以迫在眉睫，眾多意識到這些含義的科學(xué)家說服愛因斯坦克服其和平主義原則，以他的權(quán)威給羅斯?？偨y(tǒng)寫了一封信，要求美國開始核研究計劃。這就導(dǎo)致了曼哈頓計劃并制造出于1945年在日本廣島和長崎的原子彈。有人將原子彈歸咎于愛因斯坦發(fā)現(xiàn)了質(zhì)能方程，但是這和把飛機(jī)失事歸咎于牛頓發(fā)現(xiàn)引力很類似。愛因斯坦本人沒有參與曼哈頓計劃，并且為投擲原子彈而感到震撼?？梢?，原子彈的爆炸，質(zhì)能方程是它的最基本理論。第六頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三相對論的悖論

讓我們一起思考假設(shè)你在房間里，我在高速火車上，我有個遙控器，可以控制你房間里面的電飯煲，你只要告訴我你要吃什么，我就可以用遙控器控制電飯煲做什么；假設(shè)我的遙控器和你告訴我吃什么的通信是超光速的。由于我是在高速列車上，依據(jù)相對論原理在你的參照系下看我的時間是收縮的，也就是說我的時間在8點(diǎn)30的時候你的時間可能是在9點(diǎn)了，你九點(diǎn)的時候向我發(fā)出你要吃稀飯的命令，我用遙控器控制電飯煲做稀飯的時間是在八點(diǎn)半，也就是說你還沒有發(fā)命令電飯煲已經(jīng)在做稀飯了！超光速回到了過去，這違背了因果論，如果你相信因果論，就絕對會認(rèn)為這是不可能的！第七頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三同時的相對性我們設(shè)想一個高速運(yùn)行的列車，它的速度接近光速。列車通過站臺時，甲站在站臺上，有兩道閃電在甲眼前閃過，一道在火車前端，一道在后端，并在火車兩端及平臺的相應(yīng)部位留下痕跡，通過測量，甲與列車兩端的間距相等，得出的結(jié)論是，甲是同時看到兩道閃電的。因此對甲來說，收到的兩個光信號在同一時間間隔內(nèi)傳播同樣的距離，并同時到達(dá)他所在位置，這兩起事件必然在同一時間發(fā)生，它們是同時的。但對于在列車內(nèi)部正中央的乙，情況則不同，因為乙與高速運(yùn)行的列車一同運(yùn)動，因此他會先截取向著他傳播的前端信號，然后收到從后端傳來的光信號。對乙來說，這兩起事件是不同時的?！钡矣X得有問題，對乙來說，它與車兩端距離相等，且光速不變，那乙應(yīng)同時看到兩個閃電的。第八頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三狹義相對論的時空觀該節(jié)將從洛侖茲變換出發(fā)，討論長度、時間、同時性等概念，從所得結(jié)果可以清楚認(rèn)識到狹義相對論對經(jīng)典的時空觀進(jìn)行了十分深刻的變革。長度的相對性如圖，有一固有長度為L0的棒，相對S′系靜止，現(xiàn)在S系對棒同時測量，即t1=t2。uy′yxx′SS′L0L0L00OO′第九頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三因t1=t2，棒在S系的長度L=x2-x1，在S′L0=x2′-x1′說明：L<L0說明在相對棒運(yùn)動的參照系中測得的長度要比它的固有長度短。這就是相對論的長度收縮效應(yīng)。該效應(yīng)不是一種機(jī)械效應(yīng)，物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和物理性質(zhì)不會因時空的變換而改變。

第十頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三總結(jié)狹義相對論總結(jié)：

狹義相對論的基本假設(shè)是真空光速的傳播定律與狹義相對性原理，愛因斯坦用了很大篇幅來把這兩個基本假設(shè)在經(jīng)典力學(xué)那里的抵觸消滅，只要拋棄絕對時空觀，這兩個基本假設(shè)就相容了。

狹義相對論的另一個重要假設(shè)是空間是平直的，即滿足歐幾里得幾何學(xué)。

狹義相對論的幾個基本推論都是按洛倫茲變換推導(dǎo)的；洛倫茲變換是以真空光速的傳播定律為前提推導(dǎo)得到的。這幾個基本推論揭示了空間（x,y,z)和時間（t)不是相互獨(dú)立的，是相互聯(lián)系的，同時揭示了坐標(biāo)系的選取對同一事件的描述會造成影響的。

狹義相對論是以電動力學(xué)為基礎(chǔ)、洛倫茲坐標(biāo)系為參考系來討論的。

經(jīng)典力學(xué)是以牛頓力學(xué)為基礎(chǔ)、伽利略坐標(biāo)系為參考系來討論的，經(jīng)典力學(xué)實(shí)質(zhì)是物體運(yùn)動速度遠(yuǎn)小于真空光速時的狹義相對論。日常生活中經(jīng)典力學(xué)足以解釋日常生活的物理現(xiàn)象。

狹義相對論還提到“自然是四維的”。

第十一頁，共十二頁，編輯于2023年，星期三廣義相對論總結(jié)：

廣義相對性原理：對于一切高斯坐標(biāo)系，所有物理定律都適用。

廣義相對論是從伽利略坐標(biāo)系向高斯坐標(biāo)系拓展討論，從無引力場影響的討論到有引力場影響的討論。

廣義相對論的幾何基礎(chǔ)是黎曼幾何學(xué)。

廣義相對論的幾個推論是光傳播路線彎曲和光譜上譜線有位移以及狹義相對論的推論都能從廣義相對論中推出，這些推論是以引力場的影響為基礎(chǔ)來推導(dǎo)的。

廣義