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通俗解释相对论

2017-08-13 18:04:42 文章来源:泥客论坛 字体:

相对论是一种哲学思想,认为世界(包括宇宙空间)的一切都是相对的,没有绝对的。

比如高相对于矮说才有意义,没有矮就没有高的概念。

长与短是互依互存的,没有短也不存在长。没有大就没有小,没有快就无所谓慢。一切事物失去了对比就失去了意义。正所谓尺有所短寸有所长。单独一个长度数值是没有长短概念的。

在物理学中,相对论物理学是区别于经典物理学的绝对概念的当代物理的一大支柱。是经典物理学向大空间高速度领域的延伸。

经典物理学虽然也承认相对性,但是并不排斥绝对概念,比如速度,经典物理认为宇宙中一定在在一个绝对静止的物质(以太),并且相对以太运动的速度就是绝对速度。而相对论物理学则认为宇宙中不存在绝对静止的物质,一切运动以及一切运动规律都是相对的。

相对论物理学的基础是一系列的物理实验结论:

1、一切物理规律在任何惯性系上都是等效的。(伽利略变换)

2、在一个封闭的空间内,无法测量系统自身的运动速度。(没有其他参照系就不存在速度的概念)

3、光速在任何惯性系上的速度相同。(光速不变)

光速不变是人们对相对论产生质疑的重要原因之一,因为光速不变与人们习惯的速度叠加原理相悖。然而这正是相对性原理在相对论物理学中最重要的体现。

所以提到相对论就不得不重点解释一下光速不变原理。

由于光速不变与人们的日常经验相差太远,所以很难让人接受。甚至很多人在描述相对论现象时还会站在绝对速度的立场上。比如“当一个物体以很高的速度运动时,时间会变慢”。

①没有参照物就不存在速度,很高的速度从何而来呢?

②如果有参照系,那么是参照系在运动还是那个物体在运动?谁的时间变慢?

③参照系可以随意指定,随便换个参照系,它的时间就会跟着变吗?那么时间该如何变?

比如我们以太阳为参照系,地球有一个时间、以银河中心为参照系,地球又有一个时间,那我们用哪个时间?事实上我们可以选择无数的参照系,那地球的时间不是就没意义了?

显然上面的说法本身就站不住脚。

由于没有绝对速度,设想一下:

假如宇宙中没有任何其他天体,只有一个质点。这个质点如何确定自己是在运动还是静止?如何确定自己的运动速度?在经典物理学中人们会想到以太,但是相对论物理学中认为没有其他参照系的情况下速度没意义。而事实上在这个质点上测量光速也是各向同速度。

假如宇宙中只有两个天体,没有任何其他天体了,这两个天体互相可能会有相对运动,但是,无法区别这两个天体是相向运动还是同向运动,或者是同时沿某个夹角向其他方向运动。这两个天体唯独可以确定的是它们之间的距离是在远离还是接近,以及远离或接近的速度。

每个天体完全可以无视另一个天体的存在(认为自己是静止的,或任意的速度在宇宙中漂浮),在本系统上测量到的光速同样是各向同速的。因为自身的速度不存在必然的值(可以随意指定),所以光速也不存在与自身的运动速度叠加的任何依据。

也就是说:在任何惯性系上看到的光速都是c,恒定不变。相对的说就是在光看来,所有的惯性系都是“静止”的。事实上,麦-莫实验也验证了光速不与任何相对速度叠加。

因此,光速不变就成了划分相对论物理学和经典物理学(运算法则)的一个分水岭。而相对论的根本是相对论哲学思想在物理学中的具体体现。

狭义相对论:

狭义相对论是基于光速不变原理,对两个相对匀速直线运动的系统之间的时间与空间测量的换算关系的理论。可以看作是相对论的微分形式。

狭义相对论中不涉及力与系统的作用问题,只是相对速度对相互观测的影响以及换算关系。

从前面讨论的内容可以看出,光速不变是光的特征之一,就像光以直线传播一样。

我们举个非常常见的例子,说明光对观测的影响。

因为光是直线传播,因此产生了“近大远小”的现象,即我们看到越远的东西就会越小。假如我们的眼睛和大脑自动计算的功能让我们感觉近大远小不明显,我们可以借助相机来拍照,远的物体确实变小了。如果要知道远处的物体的真实大小和尺寸,我们必须用测量(拍照)到的尺寸乘上一个大于1的因子才能还原真实尺寸。

同样的,由于光速不变,当相对速度很高时,从一个系统上看另一个系统上的时间会“变慢”,这里其实是一个习惯说法,其实不是“变慢”而是变快。比如我们看(测量)到的时间是t,就需要乘上一个小于1的因子来还原真实的时间t'。t'=t√(1-V²/C²),只要速度不是0,√(1-V²/C²)就一定小于1,因此表示实际在那个系统上看到的时间比我们观测到的它的时间要慢,说明我们看到的时间要快于那个系统的时间。

但是我们平时还是习惯说,相对我们高速运动的物体上的时间会变慢,这只是习惯的说法,并不影响我们正确的使用变换公式来分析时间关系。因为本来速度和时间就是相对的,我们认为我们的时间没变,那说它的时间变慢了也不算什么错误。

广义相对论:

广义相对论把相对论理论引入到了力学领域,力对速度的影响(改变运动状态)也具有相对性。而对于一切系统(不仅仅是惯性系),一切物理规律依然正确,所以就有了F=ma在相对论范围内的正确性。

F=ma;即a=F/m :左边是加速度,右边是什么呢?单位质量所受的引力,这就是引力场的引力强度。就是说加速度与引力是等价的。

那么光线是直线传播的,在强大的引力场中发生了弯曲,说明空间发生了弯曲。在光看来,它走的依然是直线。

质能公式:

F=ma;两边同时乘上一个距离就是能量(或功)。F×距离=m×V²

即能量=质量乘速度的平方,可是这里的速度是什么?显然不可能是任意指定 的参照系下测量到的任意速度,而是质量体相对光的速度,那就是C。

因此,质能公式的表达式就是:E=mc²。

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