狭义相对论的主要观点
根据光速不变原理和相对性原理可以得出以下推论:
同时的相对性 即“同时”这个概念是相对的,判断两件事情是否发生在同一时间要依据观测者的不同而不同,每一位观测者都拥有自己的时间。当一艘飞船以接近光速的恒定速度飞行时,在飞船内部同时发生的事情,在飞船外部看来,就不一定是同时发生的。如果按常理来看,这个结论简直不可思议,但假设光速不变原理和相对性原理是正确的,就一定可以推出这个结论。
时间流动变慢 当一艘飞船以接近光的速度飞行时,它内部的时间会变慢,而且越接近光速,时间流逝越慢,然而飞船中的人并不会察觉到时间变慢。必须指出的是,这里的时间变慢是一种相对变慢,在飞船上的人看来,外部观测者同样是以接近光的速度飞离自己,飞船上的人看外部观测者的时间同样会变慢。要认识这一点需要和前面“同时的相对性”观点结合起来理解,这里再次强调,相对论告诉我们“究竟是谁在看”这一点非常关键。 ̄
空间收缩 当飞船以接近光的速度飞行时,在飞行方向上的空间(长度)会发生收缩,而且越接近光速,空间收缩得越厉害。这种收缩也叫做“洛伦兹收缩”。如果此时你在这艘飞船上向外面望去,会看到整个宇宙,包括所有的星体都在运动方向上被压扁。而如果你在飞船外部看这艘飞船,会看到宇宙中的其他星体都是正常的,但是这艘飞船在运动方向上是被压扁了的。必须注意的是,空间(长度)收缩仅仅发生在运动方向上,非物体运动方向上并不发生收缩。(在一些体育漫画中,我们常常会看到高速飞行的球被压扁的画面,这就是狭义相对论的一种应用)
质量增大 狭义相对论预言“光速”就是速度的上限,不管使用多么先进的技术,都不可能使物体运动超过光速。当我们作用于一个物体使它运动时,所施加的力越大,物体运动速度就越大。当物体运动接近光速时,再向它增加力量,它的速度都不会有太大增加,最高只能无限接近光速,永远不可能超过光速。那么持续增大的力上哪儿去了呢?狭义相对论认为增加的力(能量)并没有转换成物体的速度,而是转换成了物体的质量,正是质量的增加,抵消了力的加速效果。这里所称的“质量”和传统意义的概念有别,狭义相对论认为质量是衡量一个物体运动难度的量度,越接近光速,物体运动越困难。
质能方程式 从上面的介绍可知,能量可以转化为质量,质量也可以转化为能量,质量和能量是同一件事情。过去物理学家认为,宇宙中的全部质量永远不变,全部能量也永远不变,因此得出了质量守恒定律和能量守恒定律。狭义相对论把这两个定律结合起来成为一个定律,就是质量-能量守恒定律,用数学表达式表示为:E=MC2(E代表能量,M代表质量,C代表光速),这就是著名的爱因斯坦质能方程式。从这个方程式中可以得知:光速与宇宙的规律关系十分密切;即使很小的质量也可以转化为非常大的能量。核能发电站就是利用核裂变反应,把质量转化为热能,用热能产生水蒸汽,推动汽轮机然后产生电能。
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