狭义相对论通俗讲解,怎么读懂狭义相对论通俗解释

首页 > 经验 > 作者:YD1662022-11-06 14:20:53

狭义相对论通俗讲解,怎么读懂狭义相对论通俗解释(1)

狭义相对论的核心原理只有两条,狭义相对性原理和光速不变原理,其中光速不变原理非常难以被人理解和接受,主要是不太符合人的直觉。由于我们在小学数学中对行程问题有很多的训练,对速度相加的法则非常熟练,到中学开始又学习了牛顿力学,这些都是绝对时空观的知识,在脑海中已经根深蒂固,不知不觉就会跳出来干扰人的思考。所谓直觉,其实是人习惯了的思考方式,是可以练习的。狭义相对论不太符合我们通常的直觉,我们需要建立新的直觉。

看一个理论是否正确,主要有两个方面,一个是看这个理论内部有没有逻辑矛盾,另一个是看这个理论的计算和预测是否与实验和观测的数据相符合。每个人其实都是在自己的逻辑体系里面进行思考,他会很难发现自己的错误,而且认为与自己体系不符合的观点是错误的。科学的方法是假设对方的观点或者理论正确,然后在这个观点或理论中寻找逻辑矛盾,或者找到与可观测的现实结果不一致的地方。

这里有一个有意思的故事,在光的波动理论刚建立的时候,法国数学家泊松反对波动光学,他根据光的波动理论计算出,如果用光照射一个不透明的圆盘,在圆盘背后阴影的中央会出现一个亮斑。他认为这是荒谬的,因而波动光学是错误的。波动光学的支持者们就根据泊松的计算做了实验,结果发现圆盘背后真的有一个亮斑,这个亮斑后来就叫做泊松亮斑。泊松的计算反而支持了波动光学。泊松反对波动光学的方法是科学的。

狭义相对论通俗讲解,怎么读懂狭义相对论通俗解释(2)

因为相对论与人的直觉不相符合,反对相对论的人很多。前一阵,河北燕山大学的教授宣称已经推翻爱因斯坦相对论,研究项目被推荐入选2021年河北省科学技术奖,这个项目后来被取消。包括“北京相对论研究联谊会”这个反相对论的机构也被北京市民政局取缔。按说人有研究的自由,但是他们这些研究误导了社会,骗取经费,影响很不好。其实科学界研究相对论的科学家是最希望“推翻”(更恰当的说法是改进)相对论的。他们按照科学规范发表各种论文,进行各种极其高精度的实验,一旦发现问题,就有可能改进相对论。100多年来,这些研究和实验都是支持了相对论。

再回到狭义相对论,狭义相对论的体系并没有逻辑矛盾。很多人发现矛盾,是因为他还在牛顿力学中进行思考。重要的话说三遍:不要在牛顿力学中反对相对论!不要在牛顿力学中反对相对论!不要在牛顿力学中反对相对论!

我们来尝试按照狭义相对论的思路去理解它。首先来看第一条原理,狭义相对性原理。狭义相对性原理是说,在一切惯性系中物理定律都是等价的,或者说我们不能通过物理实验来发现不同惯性系的区别。所谓的惯性系,简单来说就是匀速直线运动的参考系。

我们坐在火车上与另一列火车错车而过的时候,常常会有一种体验,以为我们所坐的火车是静止的,而另一列火车在运动。等两列火车错开,才发现对面的火车停在站台上根本没有动,而是自己所在的火车在动。我们乘坐其他匀速直线行驶的交通工具时,也会有分不清静止还是运动的感觉。有人在匀速直线行驶的高铁窗台上面立起硬币、签字笔、手机、倒立的矿泉水瓶等物体,能够长时间稳定的直立不倒,水面平稳不晃。高速运动的火车上如同静止一样,不观察窗外的景物,根本不能发现火车在运动。而观察窗外发现火车运动是因为人事先假设了窗外景物是静止的,如果窗外悬挂一副很长的画布,并且拉画布运动,那么车内并不能区分出画布在动还是火车在动。

狭义相对论通俗讲解,怎么读懂狭义相对论通俗解释(3)

不仅人的感觉无法区分火车是否运动,人们还做了各种精确的物理实验,发现任何物理实验都无法从内部区分静止和匀速直线运动的火车。这就表明在静止和匀速直线运动的火车上具有相同的物理定律。用物理学的语言表述就是狭义相对性原理,也就是物理定律对一切惯性参考系都是等价的。这个原理又叫“舟行不觉原理”,源于东汉时期的《尚书纬•考灵曜》一书:“人在大舟中,闭牖(yǒu,窗户)而坐,舟行而人不觉也”。这一原理是由伽利略首先发现的,所以也叫伽利略相对性原理。一般来说,伽利略相对性原理仅限于力学。狭义相对性原理,适用于所有的物理学,包括电磁学等。

到现在为止,还没有发现违反这一原理的物理现象。狭义相对性原理是物理学最基本的原理之一。这一原理非常重要,它表明了惯性参考系的等价性。我们可以知道,遥远的星系和地面实验室中具有同样的物理定律,因而在地面实验室中就可以对遥远的星系中发生的物理过程进行研究,否则这就是不可能的。

狭义相对性原理也表明,绝对静止的惯性参考系,也就是牛顿所谓的绝对空间是不存在的,因为所有相对运动的惯性系都完全等价,不存在哪一个惯性系比其他惯性系更加优越。

狭义相对性原理比较容易理解,难以理解的是第二条原理,光速不变原理。

光速不变原理是说,无论在哪一个惯性参考系中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,不随光源和观察者的运动速度而改变。这个真空中光速常数的精确数值是299792458米/秒,约为30万公里每秒。

这一原理有两个含义,一个是真空中光速与光源的运动速度无关,另一个是真空中光速与观察者的运动速度无关。这个我们必须分开来看,否则理解会非常困难。真空中光速与光源的运动速度无关,意思是说,在同一个惯性参考系统观察,不同运动速度的光源发出的光的速度都完全一样。

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