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大名鼎鼎的爱因斯坦狭义相对论,它究竟说的什么,其实很好理解

时间:2019-07-05 09:11:00  来源:  作者:

相比起艰涩难懂的广义相对论,爱因斯坦在 1905 年提出的狭义相对论其实并没有像我们想象的艰深,那么狭义相对论究竟讲的是什么呢?今天我就用通俗易懂的方式带大家了解一下!

狭义相对论提出的背景

1687 年,牛顿发表了《自然哲学的数学原理》,标志着经典力学的建立,牛顿经典力学在很长时间里都成为了物理学家心中的圣经与权威。

牛顿的经典力学的核心是伽利略变换,伽利略变换是经典力学中用以在两个只以均速相对移动的参考系之间变换的方法,属于一种被动态变换。伽利略变换构建了经典力学的时空观。

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伽利略变换认为,在同一参照系里,两个事件同时发生,在其他惯性系里,两个事件也一定同时发生,时间间隔的测量是绝对的,长度测量也具有绝对性,经典力学定律在任何惯性参考系中数学形式不变,换言之,所有惯性系都是等价的(相对性原理)。

所以我们才会说伽利略变换构建了经典力学中的绝对时空观,时间和空间均与参考系的运动状态无关、时间和空间是不相联系的,是绝对的。也就是说空间、时间与物体的运动状态无关!

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受经典力学的影响,物理学家认为宇宙到处都存在着一种称之为以太的物质,因为在经典力学里,曾经有两种力的概念存在.一种是接触力(如碰撞、压力或拉力等勒,另一种是超距件用力(如重力),在当时的观念里,似乎除了由直接接触所产生的那些作用之外不应有别的作用。

按照这样的观念,人们曾试图以接触作用力来解释牛顿的超距作用力,即认为超距作用力实际上是靠充满空间的媒质来传递的,传递方式或是靠这种媒质的运动,或是靠它的弹性形变.这样,便提出了以太假说。

他们普遍认为以太是传播光的媒介,引力甚至电、磁力是在以太中传播的,由此发展了“光以太”假说。

除此之外,物理学家将这种无处不在的“以太”看作绝对惯性系,其它参照系中测量到的光速是以太中光速与观察者所在参照系相对以太参照系的速度的矢量叠加。

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举一个简单的例子,你在火车上跑,那么你的小伙伴看来,你的速度=火车的速度+你在车上的速度发现没有,在这个理论当中,速度是可以叠加的,但是如果你的小伙伴在一辆速度相同的火车上看你,那么你的速度就是你在车上奔跑的速度。

所以其它参照系中测量到的光速是以太中光速与观察者所在参照系相对以太参照系的速度的矢量叠加。就是这个道理,也就是说光速会随着参照系的不同,也变得不同。

但是到了后来,麦克斯韦创建了电磁理论,实现了物理学的第一次大一统,麦克斯韦方程组构建了电动力学的基石,但却和牛顿的经典力学产生了矛盾。麦克斯韦建立的电动力学,有一个结果就是光速在不同惯性系是不变的,电光速是不需要相对于某个参考系而言的。在任何惯性参考系下,光速都是3×10^8m/s。

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这个结果和经典力学的伽利略变换是相矛盾的。如果我们把伽利略变换应用于描述电磁现象的麦克斯韦方程组时,将发现它的形式不是不变的,也就是说光速不是一个固定的数值,即在伽利略变换下麦克斯韦方程组或电磁现象规律不满足相对性原理。

我们可以由麦克斯韦方程组得到电磁波的波动方程,由波动方程解出真空中的光速是一个常数。按照经典力学的时空观,这个结论应当只在某个特定的惯性参照系中成立,这个参照系就是以太。但是电磁理论却得出了光速在任何情况下是不变的,也就是说以太这个绝对惯性系是不存在的,

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一句话概括:电磁现象所遵从的麦克斯韦方程组不服从伽利略变换,导致了经典力学出现危机。

物理学家对经典力学的修补

而为了否定电磁理论,捍卫经典力学的权威性。许多物理学家都开始去尝试证明以太的存在。其中之一的方法就是通过寻找光以太相对于地球的运动,来佐证以太的存在。

著名实验物理学家迈克尔逊和莫雷就用干涉仪以寻找光以太相对于地球的运动做了实验观察.这就是著名的迈克耳孙—莫雷实验。

这个实验的用意在于探测光以太对于地球的漂移速度,从而证明以太的存在。因为在经典力学里,以太代表了一个绝对静止的参考系,而地球穿过以太在空间中运动,就相当于一艘船在高速行驶,迎面会吹来强烈的“以太风”。若能测定以太与地球的相对速度,即以太漂移速度,便可证明以太的存在。

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以太风

迈克尔逊在1881年进行了第一次实验,想测出这个相对速度,但结果并不十分令人满意。于是,他和另外一位物理学家莫雷合作,在1886年安排了第二次实验。这可能是当时物理史上进行过的最精密的实验了。他们动用了最新的干涉仪。为了提高系统的灵敏度和稳定性,他们甚至多方筹措,弄来了一块大石板,把它放在一个水银槽上。这样就把干扰的因素降到了最低的限度。

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迈尔克实验

然而,实验结果却让他们无比震惊和失望:两束光线根本就没有表现出任何的时间差。以太似乎对穿越于其中的光线毫无影响。根本测量不到地球相对于以太参照系的运动速度。 地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得到同样的结果。迈克尔逊和莫雷不甘心,一连观测了四天,情况都是一样。迈克尔逊和莫雷甚至还想连续观测一年,以确定在四季中,地球绕太阳运行对以太风造成的差别。但因为这个否定的结果是如此清晰而不容质疑,这个计划被无奈地取消了。

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随着迈克耳孙—莫雷实验的多次失败,证明以太的存在捍卫经典力学的权威性的想法宣告破产。

这个时候,著名物理学家洛伦兹为了在承认光速与参照系无关的条件下,拯救以太假设,便抛弃了空间间隔和时间间隔与参照系无关的绝对观念。在他看来,常驻以太参照系是基本参照系,在这个参照系中,时间是均匀流逝的,空间是均匀的,各向同性的。任何实际参照系都相对于这个基本参照系运动着。

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根据他的设想,观察者相对于以太以一定速度运动时,长度在运动方向上发生收缩,抵消了不同方向上由于光速差异。

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洛伦兹变换一定程度上调和了经典力学和电动力学之间的矛盾,给了伽利略变换一个适用的领域,那么就可以解释为什么伽利略变换下麦克斯韦方程组或电磁现象规律不满足相对性原理。

然而洛伦兹变换毕竟是为了拯救错误的以太假说而提出的,在调和经典力学与电动力学之间的矛盾上还存在许多的问题。在相对论以前,洛伦兹从存在绝对静止以太的观念出发,考虑物体运动发生收缩的物质过程得出洛伦兹变换。在洛伦兹理论中,变换所引入的量仅仅看作是数学上的辅助手段,并不包含相对论的时空观。

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所以,经典力学的危机并没有解除,这个时候,爱因斯坦登场了!

爱因斯坦提出了狭义相对论,诞生新的时空观

爱因斯坦洞察到解决这种不协调状况的关键是同时性的定义,爱因斯坦认为既然光速不变,作为静止参考系的以太就没有理由存在。于是抛弃静止参考系以太,1905年爱因斯坦发表的题为《论动体的电动力学》一文中以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上建立了一种区别于牛顿时空观的新的平直时空理论。这就是我们熟知的大名鼎鼎的狭义相对论。

狭义相对性原理:一切物理定律(除引力外的力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律)在所有惯性系中均有效;或者说,一切物理定律(除引力外)的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变。不同时间进行的实验给出了同样的物理定律,这正是相对性原理的实验基础。

光速不变原理:光在真空中总是以确定的速度c传播,速度的大小同光源的运动状态无关。在真空中的各个方向上,光信号传播速度(即单向光速)的大小均相同(即光速各向同性);光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关。这个原理同经典力学不相容。有了这个原理,才能够准确地定义不同地点的同时性。

大名鼎鼎的爱因斯坦狭义相对论,它究竟说的什么,其实很好理解

 

爱因斯坦基于事实的观察着眼于修改运动、时间、空间等基本概念,重新导出洛伦兹变换,并赋予洛伦兹变换崭新的物理内容,来解释迈克尔逊-莫雷实验和光速不变。爱因斯坦的洛仑兹变换是指纯数学的空间缩短,不再是组成量杆的带电粒子距离缩短。而且这种空间缩短不具有任何实质性的物理意义。

在狭义相对论中,洛伦兹变换是最基本的关系式,狭义相对论的运动学结论和时空性质,如同时性的相对性、长度收缩、时间延缓、速度变换公式、相对论多普勒效应等都可以从洛伦兹变换中直接得出。

大名鼎鼎的爱因斯坦狭义相对论,它究竟说的什么,其实很好理解

 

根据光速不变原理,相对于任何惯性参考系,光速都具有相同的数值。在光速不变和相对性原理的基础上,

在狭义相对论中,空间和时间并不相互独立,而是一个统一的四维时空整体,不同惯性参照系之间的变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的。

由此,经典力学与电动力学之间的矛盾彻底被调和,如果速度v比光速с小很多,而且被观察的物体的运动速度也比光速小很多,则洛伦兹变换就与伽利略变换近似一样。对于日常的力学现象,使用伽利略变换就可以了。然而,对于运动物体的电磁现象,虽然物体的运动速度比光速小很多,但由于电磁相互作用的传播速度是光速,所以仍必须使用洛伦兹变换。

大名鼎鼎的爱因斯坦狭义相对论,它究竟说的什么,其实很好理解

 

所以说,伽利略变换明显成立的公式在物体以接近光速运动时、亦或者是电磁过程不会成立,这是相对论效应造成的。爱因斯坦的狭义相对论给经典力学和电磁场论都划分了各自适用的领域,一旦超过了这个范围,那么将不再适用。

简而言之,就是爱因斯坦在以光速不变原理和狭义相对性原理为基本假设的基础上,以洛伦兹变换为核心提出了狭义相对论,解决了经典力学的危机,并且提出了一种全新的时空观。

大名鼎鼎的爱因斯坦狭义相对论,它究竟说的什么,其实很好理解

 

牛顿时空观认为:时间、空间是绝对的,绝对是指时间、空间与物质运动无关,与参考系无关;空间和时间也是彼此独立的,空间的度量与时间无关, 时间的度量与空间无关,同时性也是绝对的。牛顿时空观反映在伽利略变换之中。

而狭义相对论时空观认为:时间、空间、运动三者是不可分割地联系着; 时间、空间的度量是相对的。不同的惯性系没有共同的同时性,没有相同的时间、空间度量。比如时间延缓是一种相对效应;时间的流逝不是绝对的,运动将改变时间的进程(这句你可以简单理解为,你的运动状态对你的寿命将产生影响);长度收缩是空间的属性,是一种相对效应。

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