相对论为什么有“狭义”和“广义”之分?

 ag环亚集团     |      2019-12-29 06:00

1955年4月18日,20世纪最伟大的科学家阿尔伯特·爱因斯坦因患动脉瘤在美国普林斯顿逝世。说起爱因斯坦,都知道他提出了著名的相对论。但是你可知道,相对论为什么有“狭义”和“广义”之分呢? 了解“相对论”对于研究现代物理学的人来说,是十分必要的。 据说,相对论的创始人阿耳伯特?爱因斯坦从小就思考这样两个问题:如果有人跟着光线跑,并努力赶上它,那么,这个人将看到些什么现象呢?如果把一个人关在一架自由下落的升降机内,他将看到什么呢?经过二十多年的思考和钻研,爱因斯坦终于找到了第一个问题的答案,创立了狭义相对论,并将他的这一成果于1905年公诸于世。但爱因斯坦并不满足于已取得的成就,他又围绕着第二个问题进行了深入的探索,经过十一年坚持不懈的努力,于1916年,进一步建立了广义相对论。 相对论为什么有“狭义”和“广义”之分呢?这和物理学中“相对性原理”的推广范围有关。我们知道,为了观察和描述物体的运动,需要有一个参照的标准。例如,从飞机内部看机上的乘客,他是坐在那儿不动的;从地面上观察,乘客却随飞机一起飞行。究竟这乘客是静止还是在运动,就看观察者所参照的标准了。物理学上,把这种参照标准称作参照系。任何事物都可以当作参照系,海中的岛屿、天上的星星、行驶的火车、静止的路标……参照系选得好,观察和研究起来就方便。 根据参照系相对于观察者的运动情况,参照系又可以分为惯性系和非惯性系两大类。相对于观察者是静止的或在作匀速直线运动的参照系统称为惯性系。静止或作匀速直线运动在物理学上称作加速度为零的运动。因此,惯性系又可以看作是参照系相对于观察者不作加速运动的情况;而非惯性系则可看成是参照系相对于观察者在作加速运动的情况,并可称之为加速系。我们在观察地面上的运动物体时,可以把地球近似地当作惯性系。在研究地球或其他行星的运动时,就要以太阳或其他恒星作惯性系。 相对论的核心思想之一是“相对性原理”。上面已经讲到,在不同的参照系里描述同一事物的运动形式,其情况也不同。但是,在不同的参照系里运动的物体是否遵循同样的规律呢?例如,在一艘作匀速直线航行的海轮上,和一个在地面上的静止实验室里分头作力学实验:两只摆长相同的摆钟,它们的摆动周期是否一样呢?在两根一样的弹簧下各挂1千克的砝码,它们的伸长是否一样呢?在相同的高度上,让两块一样质量的铁块自由下落,它们是否同时落到地上呢?……早在力学发展的初期,物理学家们就总结出,在所有的惯性系中,力学运动的规律都相同,这就是经典力学的相对性原理。 19世纪中期,电磁学有了很大的发展,经典的电磁理论建立起来并趋于完备。这不仅使人类从蒸汽时代进入电气时代,而且也为相对论的诞生准备了摇篮。爱因斯坦在他创立的狭义相对论中,把经典力学中的相对性原理推广到包括电磁学在内的整个物理学领域,建立了新的相对性原理,即:物理规律(不仅是力学规律,也包括电磁运动的规律)在所有的惯性系中都是一样的。而在广义相对论中,爱因斯坦又把这个原理作了进一步的推广,即:物理规律不仅在所有的惯性系中都一样,而且在所有的加速系中也相同。换句话说,物理规律在所有的参考系中都一样。 由于相对性原理先是在惯性系中,从力学规律推广到所有的物理规律,后来又在广泛的意义上推广到所有的参照系,这就使相对论有了“狭义”和“广义”之分。

生存 安全 善爱 尊重 自我实现

爱因斯坦的相对论认为当速度无限接近光速时,时空会发生扭曲,会看到过去的景象,时间是相对的。

狭义相对论(Special Theory of Relativity)是阿尔伯特·爱因斯坦在1905年发表的题为 《论动体的电动力学》一文中提出的区别于牛顿时空观的新的平直时空理论。“狭义”表示它只适用于惯性参考系。这个理论的出发点是两条基本假设:狭义相对性原理和光速不变原理。理论的核心方程式是洛伦兹变换。狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应,如时间膨胀 、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等。狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一:一切微观物理理论和宏观引力理论都满足狭义相对论的要求。这些相对论性的动力学理论已经被许多高精度实验所证实。

什么是时间呢?从物理学的角度,时间就是每一次老细胞的死去,每一次新细胞的生成,从这个角度看,每一秒都是上一秒的死去,如果能够坐上一个超过光速的机器朝着相反的方向前进,应该就可以返老还童,回到过去了,就像机器猫一样。从个人体验的角度,时间就是每一次喜怒哀乐,悲欢离合,开心时,希望时间停止,难过时,觉得每一秒都很难熬,此时的时间更是相对的。

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现代科学极度重视物质,而忽略了人性和灵魂的研究,每一个站在巨人肩膀上的研究者,提出挑战所付出的代价都是巨大的,我们搞清楚了疼痛从针扎到手上传递到大脑的过程,却永远也解释不了,远方的母亲在思念你时你会突然心痛。

惯性坐标系

和真爱在一起,时间仿佛停止,手拉着手,躺在草地上,看着云开云散,足矣;分开,路边的那家咖啡店,冬天里换了桌椅,你爱的角落没变,喝咖啡时点上两杯焦糖玛奇朵,仿佛你就在对面,时间仿佛长出了倒刺,仅仅熬着时间流过,已是伤痕累累。

人们建立坐标系是为了用之描述物体的运动。比如,我们由北京驾车沿高速公路去上海。我们可以用手机告诉在北京和上海的亲友,我们刚刚经过280km的里程碑。这样,亲友们就可以知道我们的位置。多联络几次,他们就会更清楚地了解我们的运动情况。再如,我国在试验远程导弹之前,都要在报纸、电台及电视台提前预告,将在某月某日某时某分至某月某日某时某分,向北纬某度、东经某度附近某平方海里的区域发射导弹,使得附近工作的船只可以有效地避开。

时间是相对的,和真爱在一起,仿佛一世活出三世的长度,真爱是不老的灵丹妙药,如果秦始皇明白了这一点,就不会排徐福漂洋过海去寻找长生不死药,是不是也就没有了现在的日本?

我们知道,不同的坐标系中所观察到的同一物体的运动可能是不一样的。例如,飞行员看到,从他的飞机上跳下的空降兵是直线下落的;而地面上的人们看到的空降兵却是以抛物线下落的。

那么,我们所知道的物理规律在什么样的坐标系中成立?答案是,惯性系。惯性系就是惯性定律成立的坐标系。我们知道,汽车不发动不会跑;跑动着的汽车灭火后仍然前进;公共汽车急转弯时站立的乘客会向反方向倾倒。这些都说明,地球表面是一个惯性系。

但是,地面坐标系只是近似的惯性坐标系。因为地球在自转,于是,便出现了与此相应的非惯性现象。例如,北半球由南向北流的河会更多地冲刷右岸;从纬度高的地方运到纬度低的地方的货物会损失重量,等等。

这两个例子中出现的“反常”现象都是由地球自转造成的。

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图1.1

ag环亚集团,请看图1.1。这是地球的剖面图。O点是地心,OP是地球半径,C点代表位于北纬39°的天津,D点代表位于北纬23°的广州。

地球以南北极为轴自转。