我心中的相对论

我心中的相对论第1页，共12页，2023年，2月20日，星期六Doyouunderstand？相对论的背景

什么是相对论相对论的作用第2页，共12页，2023年，2月20日，星期六相对论产生背景历史背景及重要实验基础

19世纪末期物理学家汤姆逊在一次国际会议上讲到“物理学大厦已经建成，以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两朵‘乌云’，麦克尔逊－莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。”正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力早在电动力学麦克斯韦方程建立之日，人们就发现它没有涉及参照系问题。人们利用经典力学的时空理论讨论电动学方程，发现在伽利略变换下麦克斯韦方程及其导出的方程（如亥姆霍兹，达朗贝尔等方程）在不同惯性系下形式不同，这一现象应当怎样解释？经过几十年的探索，在1905年终于由爱因斯坦创建了狭义相对论。相对论是一个时空理论，要理解狭义相对论时空理论先要了解经典时空理论的内容。所以要认真看以下的内容，有利于对相对论的理解。第3页，共12页，2023年，2月20日，星期六相对论的概述相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由阿尔伯特·爱因斯坦(AlbertEinstein)创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论和广义相对论的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。第4页，共12页，2023年，2月20日，星期六

相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年[爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作，在1916年初正式发表相关论文。由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。因此，在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。狭义相对论最著名的推论是质能公式，它说明了质量随能量的增加而增加。第5页，共12页，2023年，2月20日，星期六

相对论与原子弹的关系相对论最著名的妇孺皆知的方程式就是“相对论质能方程”。数学表达式为：E=mc2（E能量m质量c光速）由于c的平方是一个很大的数，所以一个很小的质量都可以爆发出很大的质量。它的一项后果是意识到，如果铀原子核裂变成总质量稍小的两个核，就会释放出巨大的能量，即核裂变，这也是原子弹的能量释放的原理。1993年第二次世界大战以迫在眉睫，众多意识到这些含义的科学家说服爱因斯坦克服其和平主义原则，以他的权威给罗斯福总统写了一封信，要求美国开始核研究计划。这就导致了曼哈顿计划并制造出于1945年在日本广岛和长崎的原子弹。有人将原子弹归咎于爱因斯坦发现了质能方程，但是这和把飞机失事归咎于牛顿发现引力很类似。爱因斯坦本人没有参与曼哈顿计划，并且为投掷原子弹而感到震撼。可见，原子弹的爆炸，质能方程是它的最基本理论。第6页，共12页，2023年，2月20日，星期六相对论的悖论

让我们一起思考假设你在房间里，我在高速火车上，我有个遥控器，可以控制你房间里面的电饭煲，你只要告诉我你要吃什么，我就可以用遥控器控制电饭煲做什么；假设我的遥控器和你告诉我吃什么的通信是超光速的。由于我是在高速列车上，依据相对论原理在你的参照系下看我的时间是收缩的，也就是说我的时间在8点30的时候你的时间可能是在9点了，你九点的时候向我发出你要吃稀饭的命令，我用遥控器控制电饭煲做稀饭的时间是在八点半，也就是说你还没有发命令电饭煲已经在做稀饭了！超光速回到了过去，这违背了因果论，如果你相信因果论，就绝对会认为这是不可能的！第7页，共12页，2023年，2月20日，星期六同时的相对性我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。”但我觉得有问题，对乙来说，它与车两端距离相等，且光速不变，那乙应同时看到两个闪电的。第8页，共12页，2023年，2月20日，星期六狭义相对论的时空观该节将从洛仑兹变换出发，讨论长度、时间、同时性等概念，从所得结果可以清楚认识到狭义相对论对经典的时空观进行了十分深刻的变革。长度的相对性如图，有一固有长度为L0的棒，相对S´系静止，现在S系对棒同时测量，即t1=t2。uy´yxx´SS´L0L0L00OO´第9页，共12页，2023年，2月20日，星期六因t1=t2，棒在S系的长度L=x2-x1，在S´L0=x2´-x1´说明：L<L0说明在相对棒运动的参照系中测得的长度要比它的固有长度短。这就是相对论的长度收缩效应。该效应不是一种机械效应，物质内部的结构和物理性质不会因时空的变换而改变。

第10页，共12页，2023年，2月20日，星期六总结狭义相对论总结：

狭义相对论的基本假设是真空光速的传播定律与狭义相对性原理，爱因斯坦用了很大篇幅来把这两个基本假设在经典力学那里的抵触消灭，只要抛弃绝对时空观，这两个基本假设就相容了。

狭义相对论的另一个重要假设是空间是平直的，即满足欧几里得几何学。

狭义相对论的几个基本推论都是按洛伦兹变换推导的；洛伦兹变换是以真空光速的传播定律为前提推导得到的。这几个基本推论揭示了空间（x,y,z)和时间（t)不是相互独立的，是相互联系的，同时揭示了坐标系的选取对同一事件的描述会造成影响的。

狭义相对论是以电动力学为基础、洛伦兹坐标系为参考系来讨论的。

经典力学是以牛顿力学为基础、伽利略坐标系为参考系来讨论的，经典力学实质是物体运动速度远小于真空光速时的狭义相对论。日常生活中经典力学足以解释日常生活的物理现象。

狭义相对论还提到“自然是四维的”。

第11页，共12页，2023年，2月20日，星期六广义相对论总结：

广义相对性原理：对于一切高斯坐标系，所有物理定律都适用。

广义相对论是从伽利略坐标系向高斯坐标系拓展讨论，从无引力场影响的讨论到有引力场影响的讨论。

广义相对论的几何基础是黎曼几何学。

广义相对论的几个推论是光传播路线弯曲和光谱上谱线有位移以及狭义相对论的推论都能从广义相对论中推出，这些推论是以引力场的影响为基础来推导的。

广义相对