1樓:
狹義相對論是愛因斯坦在總結了前人的科學實驗和理論研究成果後,針對物理學界因為測不出光速的變化而陷入混亂之際,拋棄了絕對時空的概念,以實驗基礎為依據,提出光速不變原理,並在這一基礎上,引用了洛倫茲因子,把經典物理學的適用領域從靜止、小空間拓展到高速度、大空間的應用領域而建立的慣性系間時間與空間變換的理論。
經典物理學之所以遇到了困難,都是因為「光速不變」帶來的。光速不是無窮大,而使得我們測量會產生誤差,當人們試圖找到絕對速度的時候發現,無法測出光速的變化,因而使物理學陷入了絕境。光既不受發光物的速度影響,也不受接收器速度的影響。
無論誰看,速度都一樣,這與經典物理學中的速度的疊加原理產生了不可調和的矛盾。
很多人質疑光速不變原理沒有經過證明,因而質疑由光速不變為基礎建立的狹義相對論。
其實光速變與不變並不重要,因而不需要證明,而且我們測量的結果確實是光速不變。
運動是相對的,這一點就足夠了。就像我們不知道地球的速度到底是多少,我們假定地球是靜止的(或者假定地球的速度是某個恆定的值)並不影響我們的任何物理研究和實驗。
舉個極端的例子(有的時候從極端可以推論出普遍情況):
假如一個有個人以光速跑步,我們在終點為他測速,當他經過起點時開始計時,當他到達終點時停止計時,把距離除以時間就是他的速度。
但是出問題了,因為光速不是無窮大,他經過起點時的資訊以光速傳到終點,而他以光速跑向終點,所以測量到的結果是他經過起點的同時他就在終點。而且他跑過的距離是0,因為終點就在起點。
上面的假設不可能存在,沒有任何有質量的物體能達到光速。但是,從這個極端的假設,得出一個推論,速度越接近光速,我們看到的他的時間就越接近靜止,他跑過的距離也越接近0。僅僅從這一點就能知道,速度越快,時間就越慢,距離也越短。
其實我們無法測量到光速的變化也正因如此,上面的跑步者換成光子,就說明一切了,在任何情況下我們都不可能測得出光速會有什麼變化,因為光總是與它的資訊一起到達測量計。
光是一切測量都必須依賴的尺子。
經典物理學是建立在絕對的時空概念上的理論與測量證明的科學,所以當「尺子」發生變化時,測量的一切資料也會跟著變化。而我們卻無論如何也不能測到尺子本身發生了什麼變化,那麼我們就只能認定尺子沒變。這就是相對性,就相當於我們無法感覺自己在移動的時候我們就認為自己是靜止,是其他的物體在移動。
這不會對客觀事實造成錯誤。
當我們無法感覺尺子在變長時我們就只能認定是物體在變短。這就是狹義相對論的最基本構想。
談到狹義相對率就應該瞭解一下洛倫茲因子,因為狹義相對論中的尺縮效應和時間變慢是狹義相對論的重要結論之一。
上圖表示的是一個參照系看一個運動繫上光子運動的情況。
ct'是動繫上看光子運動的距離。
ct 是參照系上看光子運動的距離。
vt 則是動系相對參照系移動的距離。
顯然:因為誰看光速都不變,所以c是一樣的,t則是參照系上看到的時間,vt就是參照系上看到動系運動的距離。
這是一個直角三角形,所以有: (vt²+(ct')²=ct²
把這個等式變換一下以求得t'。
(ct')²=(ct)²-(vt)²;
c²t'²=c²t²-v²t²=t²(c²-v²)
t'²=t²(1-v²/c²)
t'=t√(1-v²/c²)
其中的√(1-v²/c²) 就是洛倫茲因子(或叫相對論因子)。
這一變換出來後絕對的時間概念就被打破了,居然在不同速度的慣性系上的時間是不同的。最不被人理解的就是這個根深蒂固的「時間會變慢」。
由此很多人推出了各種所謂的「悖論」,其實是一個極大的誤解。
由於速度的不同,資訊傳送的速度是有限的,人們看到的結果必然是不同的,並不影響動繫上的一切物理規律。
這就像我們看遠處的人會變小一樣,近大遠小是人人皆知的透視規律,我們看到的遠處的人變小,同時對方看我們也變小,不可能我們看他小他看我們大。
相對運動的系統,我看你時間變慢,你看我的時間也變慢。這是必然的。
通過一定的換算,我們能知道遠處的人真實的高度,通過洛倫茲因子,我們也能計算出高速運動的慣性系上的真實時間。
誰能簡單解釋一下愛因斯坦的相對論?
2樓:白色凌亂
汽車是運動的,樹木是靜止的,這樣說大家都能接受,但如果反過來說樹木是運動的,汽車是靜止的則會有很多人說你痴人說夢。其實在物理學上這兩種說法都是正確的,只是所選的參照系不同而已。這也是愛因斯坦偉大的相對論建立的基本出發點。
相對論建立的第一個假設是:所有參照系都遵循相同的物理定律。無論在地上還是在勻速行駛的汽車上,用尺子量一個木板或用秒錶量一個鐘擺晃動10個週期的時間,結果都是相同的。
但是如果木板或鐘擺在一個以一定速度駛過測量者面前的車上,重複上面的測量就會得到不同的結果。這種不同就是由所有參照系都遵循相同的物理定律造成的。
相對論建立的第二個假設是:光速在所有參照系中都是恆定的。剛一聽好像和第一條假設說的是同一件事,可是仔細想想就會發現其中的奧妙。
第二條假設的意思是無論你坐在飛馳的火車裡還是靜止的躺椅中,光速都保持恆定,和你所處的運動狀態無關。原因就在於我們在處理日常物理目標的速度時得到的都是合速度。例如你駕駛一輛時速為25千米每小時的越野吉普,一位乘客以相對你10千米每小時的速度用彈弓射擊前面的岩石,那麼彈珠的實際運動速度就應該是35千米每小時。
可是如果開啟前車燈,按照常識光速是334,800,000千米每小時,加上車的運動速度,光的實際速度就應該是334,800,025千米每小時,可實際測量光速還是334,800,000千米每小時。為什麼同樣的參照系光和實際物體得到的結果不同呢?
要解釋它首先要從速度的定義說起。單位時間內通過的距離叫做速度,即速度是距離被時間除得到的。長度收縮學說認為一個具有質量的物體在它運動方向上的測量長度是相對縮短的,達到光速時長度相應縮短為零。
學說成立的基礎是測量者和被測量物處於不同的參照系,且只發生在物體運動方向,不會影響和運動垂直方向的長度。也就是說當你駕駛一輛速度接近光速的汽車時,靜止的觀察者看到的車長遠遠小於它的實際車長,而高度方向沒有變化。這種情況反過來說,即當你駕駛飛快的汽車通過一個門洞時,從你的角度來看這段距離要比實際距離短得多。
這種情況在日常生活中經常被忽略不被注意是因為物體運動速度都很慢,長度收縮現象不明顯。時間和長度一樣也會隨著參照系的變化而變化,這就是所謂的時間膨脹。隨著運動速度的增加時間會相對變慢,一般情況下都比較微弱不易覺察,達到光速時時間會完全停止。
但是這種現象也只有觀察者和時鐘不在同一參照系時才能發生,為了證明這一結論,兩個原子鐘被調節成完全相同,一個留在地球上,一個放在高速飛行的太空梭上,當飛機降落時會發現飛機上的原子鐘要比地球上的原子鐘慢,慢的時間和由愛因斯坦相對論推算出來的結果相同。也就是說太空梭上原子鐘記錄的時間相對地球上靜止的原子鐘的時間膨脹了。
理解了近光速或等光速運動時的長度和時間的變化,車頭燈光速的問題就不難解釋了,因為光運動和我們普通運動所涉及的距離和時間不同而已。
相對論還有一個重要的概念就是同時性,運動狀態的不同會使人們觀察到物體動作的先後順序不同,例如屋子中有兩盞燈,a站在兩盞燈中間,b以一定速度踩著滑板向一盞燈運動正好到達中間。當兩燈同時開啟時a看到的現象是兩燈同時亮,而b看到的卻是面對他的那盞先亮,背對他的那盞後亮。
3樓:匿名使用者
相對論是關於物質運動與時間空間關係的理論。它是現代物理學的理論基礎之一。相對論是本世紀初由愛因斯坦等在總結實驗事實(如邁克耳孫?
莫雷實驗)的基礎上所建立和發展。在這以前,人們根據經典時空觀(集中表現為伽利略變換)解釋光的傳播等問題時,導致一系列尖銳的矛盾。相對論針對這些問題,建立了物理學中新的時空現和高速物體的運動規律,對以後物理學的發展有重大作用。
相對論分為狹義相對論和廣義相對論兩大部分。2023年建立的狹義相對論的基本原理:(1)在任何慣性參考系中,自然規律都相同,稱為相對性原理。
(2)在任何慣性系中,真空光速c都相同,即光速不變原理。由此得出時間和空間各量從一個慣性系變換到另一慣性系時,應該滿足洛倫茲變換,而不是滿足伽利略變換。並由此推出許多重要結論,例如:
①兩事件發生的先後或是否「同時」,在不同參照系看來是不同的(但因果律仍然成立)。②量度物體的長度時,將測到運動物體在其運動方向上的長度要比靜止時縮短。與此相似,量度時間程序時,將看到運動的時鐘要比靜止的時鐘進行得慢。
③物體質量m隨速度v的增加而增大,其關係為:m0為靜止時的質量,稱為靜止質量。④任何物體的速度不能超過光速c。
⑤物體的質量m與能量e之間滿足質能關係式e=mc2。以上結論與目前的實驗事實符合,但只有在高速運動時,效應才顯著。在通常的情況下,相對論效應極其微小,因此經典力學可認為是相對論力學在低速情況下的近似。
在2023年又建立了廣義相對論,其基本原理:(1)廣義相對論原理,即自然定律在任何參考系中都可以表示為相同數學形式。(2)等價原理,即在一個小體積範圍內的萬有引力和某一加速系統中的慣性力相互等效。
按照上述的原理,萬有引力的產生是由於物質的存在和一定的分佈狀況使時間空間性質變得不均勻(所謂時空彎曲);並由此建立了引力場理論;而狹義相對論則是廣義相對論在引力場很弱時的特殊情況。從廣義相對論可以匯出一些重要結論,如水星近日點的進動規律;光線在引力場中發生彎曲;較強的引力場中時鐘較慢(或引力場中的光譜線向紅端移動)等。這些結論和後來的觀測結果基本上相符合。
近年來,通過測量雷達波在太陽引力場中往返傳播在時間上的延遲,以更高的精密度證實了廣義相對論的結論。相對論,具有重要的歷史意義,但許多問題仍有待研究。
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愛因斯坦建立狹義相對論的兩個基本假設
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