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写给爸爸们的简明《相对论》2/5

写给爸爸们的简明《相对论》2/5

作者: JungleTalk | 来源:发表于2017-03-24 00:28 被阅读7次

狭义相对论

相对论分为狭义相对论和广义相对论,首先介绍狭义相对论,从哪里开始呢?

上帝说:要有光。于是就有了光。随后宇宙万物由此产生。

真是惊人的相似!!《圣经》说世界是由光开始创造的,而爱因斯坦也正是从光开始研究的,把光当作开启宇宙奥秘的“钥匙”。狭义相对论有两个重要的立论基础,其一便是对光的全新认识。

狭义相对论基础之一:以太是不存在的,光速是不变的。19世纪的科学家已经知道光是一种波的运动,如同水波、声波的传播需要载体一样,当时普遍认为宇宙空间中充满了一种传播光的载体­­——“以太”。如果以太存在,地球的自转就是在拨开以太并转动。如同人在静止的空气中运动会感受到迎面而来的风一般,地球拨开以太转动就必然会经受迎面吹来的“以太风”。如果真的有以太风,光速就会时大时小,根据以太风的阻力而变化。

美国人迈克尔逊和莫雷设计了一个实验,希望找到“以太风”。结果实验失败了,但这个“失败”的实验却成为历史上的一次最革命、最富有重大意义的实验,因为它的结果意味着没有以太风,光的速度不受地球运动的影响。爱因斯坦于是大胆提出,根本不存在什么以太风,光的速度是保持恒定不变的,即使观测场所在移动,或者光源在移动,光在真空中总是以每秒30万公里的速度行进,而且这是宇宙速度的极限,再没有比光跑得更快的速度。这就是光速不变原理。

光速不变原理是惊人的!我们刚刚才说过速度是个相对的概念,可是爱因斯坦却说光速是绝对的。我们都知道,速度是运动距离与时间的比值,如果速度变成恒定的了,那么距离和时间会怎么变化?这个惊人的假设将会颠覆整个物理学。

狭义相对论基础之二:宇宙中没有绝对静止的场所,在惯性系内的一切物理定律,都与静止状态相同。牛顿曾经提出过一个“绝对静止坐标”的观点,他认为宇宙中存在一个完全静止的坐标,以它为参照系,可以计算出宇宙中每一个运动物体的绝对速度。爱因斯坦对此产生了疑问,他的理由来自于伽利略的一个理论。

在生活中我们常会遇到这样一种现象:在以恒定速度平稳行驶的火车或者轮船上,向上抛出一个球总是会掉落到原来的手中,就如同车船保持静止时一样。如果在四周密闭的车箱中做这个实验,你甚至不会察觉到车船是在运动中。伽利略由此提出了著名的相对性原理:适用于静止情况下物体的运动定律,在作匀速直线运动的情况下也依然成立。

爱因斯坦认为,假如宇宙中真有一个牛顿提出的“绝对静止坐标”,那么你根本无法分辨它是静止还是作匀速直线运动,因为他们适用于相同的物理定律,再讨论绝对静止和绝对坐标都是没有意义的。爱因斯坦否定了牛顿的绝对坐标,并且大胆提出宇宙中根本不会有绝对静止的场所。

爱因斯坦把静止的或者作匀速直线运动的场所称为“惯性系”,在伽利略的基础上,进一步发展出了自己的相对性原理:在任何一个惯性系中,一切物理定律都与在静止场所一样,依然成立。

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