有没有哪些现象是必须用相对论计算才能符合实验结果的

发布时间: 2022-07-29 22:00:59 来源: 励志妙语 栏目: 经典文章 点击: 83

谁可以告诉我一些关于相对论的知识?我想知道一些一些基础的知识,我是一个高三的学生!相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由爱因斯...

有没有哪些现象是必须用相对论计算才能符合实验结果的

谁可以告诉我一些关于相对论的知识?

我想知道一些一些基础的知识,我是一个高三的学生!
相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由爱因斯坦创立,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光速不变原理,相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了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条件下的物体。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。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”,“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。
广义相对论
一个极其不可思议的世界
谷锐译 原文:Slaven
广义相对论的基本概念解释:
在开始阅读本短文并了解广义相对论的关键特点之前,我们必须假定一件事情:狭义相对论是正确的。这也就是说,广义相对论是基于狭义相对论的。如果后者被证明是错误的,整个理论的大厦都将垮塌。
为了理解广义相对论,我们必须明确质量在经典力学中是如何定义的。
质量的两种不同表述:
首先,让我们思考一下质量在日常生活中代表什么。“它是重量”?事实上,我们认为质量是某种可称量的东西,正如我们是这样度量它的:我们把需要测出其质量的物体放在一架天平上。我们这样做是利用了质量的什么性质呢?是地球和被测物体相互吸引的事实。这种质量被称作“引力质量”。我们称它为“引力的”是因为它决定了宇宙中所有星星和恒星的运行:地球和太阳间的引力质量驱使地球围绕后者作近乎圆形的环绕运动。
现在,试着在一个平面上推你的汽车。你不能否认你的汽车强烈地反抗着你要给它的加速度。这是因为你的汽车有一个非常大的质量。移动轻的物体要比移动重的物体轻松。质量也可以用另一种方式定义:“它反抗加速度”。这种质量被称作“惯性质量”。
因此我们得出这个结论:我们可以用两种方法度量质量。要么我们称它的重量(非常简单),要么我们测量它对加速度的抵抗(使用牛顿定律)。
人们做了许多实验以测量同一物体的惯性质量和引力质量。所有的实验结果都得出同一结论:惯性质量等于引力质量。
牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反,爱因斯坦发现这种等同性中存在着一条取代牛顿理论的通道。
日常经验验证了这一等同性:两个物体(一轻一重)会以相同的速度“下落”。然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会“落”得更快呢?因为它对加速度的抵抗更强。结论是,引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。重要的是你应该明白,引力场中所有的物体“以同一速度下落”是(经典力学中)惯性质量和引力质量等同的结果。
现在我们关注一下“下落”这个表述。物体“下落”是由于地球的引力质量产生了地球的引力场。两个物体在所有相同的引力场中的速度相同。不论是月亮的还是太阳的,它们以相同的比率被加速。这就是说它们的速度在每秒钟内的增量相同。(加速度是速度每秒的增加值)
引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设
爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释。为了这个目标,他作出了被称作“等同原理”的第三假设。它说明:如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速,那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它(该惯性系)是静止的。
让我们来考查一个惯性系K’,它有一个相对于伽利略系的均匀加速运动。在K 和K’周围有许多物体。此物体相对于K是静止的。因此这些物体相对于K’有一个相同的加速运动。这个加速度对所有的物体都是相同的,并且与K’相对于K的加速度方向相反。我们说过,在一个引力场中所有物体的加速度的大小都是相同的,因此其效果等同于K’是静止的并且存在一个均匀的引力场。
因此如果我们确立等同原理,两个物体的质量相等只是它的一个简单推论。 这就是为什么(质量)等同是支持等同原理的一个重要论据。
通过假定K’静止且引力场存在,我们将K’理解为一个伽利略系,(这样我们就可以)在其中研究力学规律。由此爱因斯坦确立了他的第四个原理。
爱因斯坦第二假设
我们得出一个自相矛盾的结论。我们用来将速度从一个参照系转换到另一个参照系的“常识相对论”和爱因斯坦的“光在所有惯性系中速度相同”的假设相抵触。只有在两种情况下爱因斯坦的假设才是正确的:要么距离相对于两个惯性系不同,要么时间相对于两个惯性系不同。
实际上,两者都对。第一种效果被称作“长度收缩”,第二种效果被称作“时间膨胀”。
长度收缩:
长度收缩有时被称作洛伦茨(Lorentz)或洛伦茨-弗里茨格拉德(FritzGerald)收缩。在爱因斯坦之前,洛伦茨和弗里茨格拉德就求出了用来描述(长度)收缩的数学公式。但爱因斯坦意识到了它的重大意义并将其植入完整的相对论中。这个原理是:
参照系中运动物体的长度比其静止时的长度要短
时间膨胀:
所谓的时间膨胀效应与长度收缩很相似,它是这样进行的:
某一参照系中的两个事件,它们发生在不同地点时的时间间隔
总比同样两个事件发生在相同地点的时间间隔长。
此原理的一个较为简单但不太精确的陈述是:运动的钟比静止的钟走得更慢。最著名的关于时间膨胀的假说通常被成为双生子佯谬。假设有一对双胞胎哈瑞和玛丽,玛丽登上一艘快速飞离地球的飞船(为了使效果明显,飞船必须以接近光速运动),并且很快就返回来。我们可以将两个人的身体视为一架用年龄计算时间流逝的钟。因为玛丽运动得很快,因此她的“钟”比哈瑞的“钟”走得慢。结果是,当玛丽返回地球的时候,她将比哈瑞更年轻。年轻多少要看她以多快的速度走了多远。
时间膨胀并非是个疯狂的想法,它已经为实验所证实。最好的例子涉及到一种称 为"介子"的亚原子粒子。一个介子衰变需要多少时间已经被非常精确地测量过。无论怎样,已经观测到一个以接近光速运动的介子比一个静止或缓慢运动的介子的寿命要长。这就是相对论效应。从运动的介子自身来看,它并没有存在更长的时间。这是因为从它自身的角度看它是静止的;只有从相对于实验室的角度看该介子,我们才会发现其寿命被“延长”或“缩短”了。?

应该加上一句:已经有很多很多的实验证实了相对论的这个推论。(相对论的)其他推论我们以后才能加以证实。我的观点是,尽管我们把相对论称作一种“理论”,但不要误认为相对论有待于证实,它(实际上)是非常完备的。
爱因斯坦第一假设
全部狭义相对论主要基于爱因斯坦对宇宙本性的两个假设。
第一个可以这样陈述:
所有惯性参照系中的物理规律是相同的
此处唯一稍有些难懂的地方是所谓的“惯性参照系”。举几个例子就可以解释清楚:

假设你正在一架飞机上,飞机水平地以每小时几百英里的恒定速度飞行,没有任何颠簸。一个人从机舱那边走过来,说:“把你的那袋花生扔过来好吗?”你抓起花生袋,但突然停了下来,想道:“我正坐在一架以每小时几百英里速度飞行的飞机上,我该用多大的劲扔这袋花生,才能使它到达那个人手上呢?”
不,你根本不用考虑这个问题,你只需要用与你在机场时相同的动作(和力气)投掷就行。花生的运动同飞机停在地面时一样。
你看,如果飞机以恒定的速度沿直线飞行,控制物体运动的自然法则与飞机静止时是一样的。我们称飞机内部为一个惯性参照系。(“惯性”一词原指牛顿第一运动定律。惯性是每个物体所固有的当没有外力作用时保持静止或匀速直线运动的属性。惯性参照系是一系列此规律成立的参照系。
另一个例子。让我们考查大地本身。地球的周长约40,000公里。由于地球每24小时自转一周,地球赤道上的一点实际上正以每小时1600公里的速度向东移动。然而我敢打赌说Steve Young在向Jerry Rice(二人都是橄榄球运动员。译者注)触地传球的时候,从未对此担心过。这是因为大地在作近似的匀速直线运动,地球表面几乎就是一个惯性参照系。因此它的运动对其他物体的影响很小,所有物体的运动都表现得如同地球处于静止状态一样。
实际上,除非我们意识到地球在转,否则有些现象会是十分费解的。(即,地球不是在沿直线运动,而是绕地轴作一个大的圆周运动)
例如:天气(变化)的许多方面都显得完全违反物理规律,除非我们对此(地球在转)加以考虑。另一个例子。远程炮弹并非象他们在惯性系中那样沿直线运动,而是略向右(在北半球)或向左(在南半球)偏。(室外运动的高尔夫球手们,这可不能用于解释你们的擦边球)对于大多数研究目的而言,我们可以将地球视为惯性参照系。但偶尔,它的非惯性表征将非常严重(我想把话说得严密一些)。
这里有一个最低限度:爱因斯坦的第一假设使此类系中所有的物理规律都保持不变。运动的飞机和地球表面的例子只是用以向你解释这是一个平日里人们想都不用想就能作出的合理假设。谁说爱因斯坦是天才?

爱因斯坦第二假设
19世纪中页人们对电和磁的理解有了一个革命性的飞跃,其中以詹姆斯.麦克斯韦(James Maxwell)的成就为代表。电和磁两种现象曾被认为毫不相关,直到奥斯特(Oersted)和安培(Ampere)证明电能产生磁;法拉弟(Faraday)和亨利(Henry)证明磁能产生电。现在我们知道电和磁的关系是如此紧密,以致于当物理学家对自然力进行列表时,常常将电和磁视为一件事。
麦克斯韦的成就在于将当时所有已知的电磁知识集中于四个方程中:

(如果你没有上过理解这些方程所必需的三到四个学期的微积分课程,那么就坐下来看它们几分钟,欣赏一下其中的美吧)
麦克斯韦方程对于我们的重要意义在于,它除了将所有人们已知的电磁知识加以描述以外,还揭示了一些人们不知道的事情。例如:构成这些方程的电磁场可以以振动波的形式在空间传播。当麦克斯韦计算了这些波的速度后,他发现它们都等于光速。这并非巧合,麦克斯韦(方程)揭示出光是一种电磁波。
我们应记住的一个重要的事情是:光速直接从描述所有电磁场的麦克斯韦方程推导而来。
现在我们回到爱因斯坦。
爱因斯坦的第一个假设是所有惯性参照系中的物理规律相同。他的第二假设是简单地将此原则推广到电和磁的规律中。这就是,如果麦克斯韦假设是自然界的一种规律,那么它(和它的推论)都必须在所有惯性系中成立。这些推论中的一个就是爱因斯坦的第二假设:光在所有惯性系中速度相同
爱因斯坦的第一假设看上去非常合理,他的第二假设延续了第一假设的合理性。但为什么它看上去并不合理呢?
火车上的试验
为了说明爱因斯坦第二假的合理性,让我们来看一下下面这副火车上的图画。 火车以每秒100,000,000米/秒的速度运行,Dave站在车上,Nolan站在铁路旁的地面上。Dave用手中的电筒“发射”光子。

光子相对于Dave以每秒300,000,000米/秒的速度运行,Dave以100,000,000米/秒的速度相对于Nolan运动。因此我们得出光子相对于Nolan的速度为400,000,000米/秒。
问题出现了:这与爱因斯坦的第二假设不符!爱因斯坦说光相对于Nolan参照系的速度必需和Dave参照系中的光速完全相同,即300,000,000米/秒。那么我们的“常识感觉”和爱因斯坦的假设那一个错了呢?

好,许多科学家的试验(结果)支持了爱因斯坦的假设,因此我们也假定爱因斯坦是对的,并帮大家找出常识相对论的错误之处。
记得吗?将速度相加的决定来得十分简单。一秒钟后,光子已移动到Dave前300,000,000米处,而Dave已经移动到Nolan前100,000,000米处。其间的距离不是400,000,000米只有两种可能:
1、 相对于Dave的300,000,000米距离对于Nolan来说并非也是300,000,000米
2、 对Dave而言的一秒钟和对Nolan而言的一秒钟不同
尽管听起来很奇怪,但两者实际上都是正确的。

爱因斯坦第二假设
时间和空间
我们得出一个自相矛盾的结论。我们用来将速度从一个参照系转换到另一个参照系的“常识相对论”和爱因斯坦的“光在所有惯性系中速度相同”的假设相抵触。只有在两种情况下爱因斯坦的假设才是正确的:要么距离相对于两个惯性系不同,要么时间相对于两个惯性系不同。
实际上,两者都对。第一种效果被称作“长度收缩”,第二种效果被称作“时间膨胀”。

长度收缩:
长度收缩有时被称作洛伦茨(Lorentz)或洛伦茨-弗里茨格拉德(FritzGerald)收缩。在爱因斯坦之前,洛伦茨和弗里茨格拉德就求出了用来描述(长度)收缩的数学公式。但爱因斯坦意识到了它的重大意义并将其植入完整的相对论中。这个原理是: 参照系中运动物体的长度比其静止时的长度要短下面用图形说明以便于理解:
上部图形是尺子在参照系中处于静止状态。一个静止物体在其参照系中的长度被称作他的“正确长度”。一个码尺的正确长度是一码。下部图中尺子在运动。用更长、更准确的话来讲:我们相对于某参照系,发现它(尺子)在运动。长度收缩原理指出在此参照系中运动的尺子要短一些。
这种收缩并非幻觉。当尺子从我们身边经过时,任何精确的试验都表明其长度比静止时要短。尺子并非看上去短了,它的确短了!然而,它只在其运动方向上收缩。下部图中尺子是水平运动的,因此它的水平方向变短。你可能已经注意到,两图中垂直方向的长度是一样的。

时间膨胀:
所谓的时间膨胀效应与长度收缩很相似,它是这样进行的:
某一参照系中的两个事件,它们发生在不同地点时的时间间隔
总比同样两个事件发生在相同地点的时间间隔长。
这更加难懂,我们仍然用图例加以说明:

图中两个闹钟都可以用于测量第一个闹钟从A点运动到B点所花费的时间。然而两个闹钟给出的结果并不相同。我们可以这样思考:我们所提到的两个事件分别是“闹钟离开A点”和“闹钟到达B点”。在我们的参照系中,这两个事件在不同的地点发生(A和B)。然而,让我们以上半图中闹钟自身的参照系观察这件事情。从这个角度看,上半图中的闹钟是静止的(所有的物体相对于其自身都是静止的),而刻有A和B点的线条从右向左移动。因此“离开A点”和“到达B点”着两件事情都发生在同一地点!(上半图中闹钟所测量的时间称为“正确时间”)按照前面提到的观点,下半图中闹钟所记录的时间将比上半图中闹钟从A到B所记录的时间更长。
此原理的一个较为简单但不太精确的陈述是:运动的钟比静止的钟走得更慢。最著名的关于时间膨胀的假说通常被成为双生子佯谬。假设有一对双胞胎哈瑞和玛丽,玛丽登上一艘快速飞离地球的飞船(为了使效果明显,飞船必须以接近光速运动),并且很快就返回来。我们可以将两个人的身体视为一架用年龄计算时间流逝的钟。因为玛丽运动得很快,因此她的“钟”比哈瑞的“钟”走得慢。结果是,当玛丽返回地球的时候,她将比哈瑞更年轻。年轻多少要看她以多快的速度走了多远。
时间膨胀并非是个疯狂的想法,它已经为实验所证实。最好的例子涉及到一种称为介子的亚原子粒子。一个介子衰变需要多少时间已经被非常精确地测量过。无论怎样,已经观测到一个以接近光速运动的介子比一个静止或缓慢运动的介子的寿命要长。这就是相对论效应。从运动的介子自身来看,它并没有存在更长的时间。这是因为从它自身的角度看它是静止的;只有从相对于实验室的角度看该介子,我们才会发现其寿命被“延长”或“缩短”了。?
应该加上一句:已经有很多很多的实验证实了相对论的这个推论。(相对论的)其他推论我们以后才能加以证实。我的观点是,尽管我们把相对论称作一种“理论”,但不要误认为相对论有待于证实,它(实际上)是非常完备的。

伽玛参数(γ)
现在你可能会奇怪:为什么你在日常生活中从未注意到过长度收缩和时间膨胀效应?例如根据刚才我所说的,如果你驱车从俄荷马城到勘萨斯城再返回,那么当你到家的时候,你应该重新对表。因为当你驾车的时候,你的表应该比在你家里处于静止状态的表走得慢。如果到家的时候你的表现时是3点正,那么你家里的表都应该显示一个晚一点的时间。为什么你从未发现过这种情况呢?
答案是:这种效应显著与否依赖于你运动速度的快慢。而你运动得非常慢(你可能认为你的车开得很快,但这对于相对论来说,是极慢的)。长度收缩和时间膨胀的效果只有当你以接近光速运动的时候才能注意到。而光速约合186,300英里/秒(或3亿米/秒)。在数学上,相对论效应通常用一个系数加以描述,物理学家通常用希腊字母γ加以表示。这个系数依赖于物体运动的速度。例如,如果一根米尺(正确长度为1米)快速地从我们面前飞过,则它相对于我们的参照系的长度是1/γ米。如果一个钟从A点运动到B点要3秒钟,那么相对于我们的握障担�飧龉�坛中?/γ秒。
为了理解现实中为什么我们没有注意到相对论效应,让我们看一下(关于)γ的公式: 这里的关键是分母中的v2/c2。v是我们所讨论的物体的运动速度,c是光速。因为任何正常尺寸物体的速度远小于光速,所以v/c非常小;当我们将其平方后(所得的结果)就更小了。因此对于所有实际生活中通常尺寸的物体而言,γ的值就是1。所以对于普通的速度,我们通过乘除运算后得到的长度和时间没有变化。为了说明此事,下面有一个对应于不同速度的γ值表。(其中)最后一列是米尺在此速度运动时的长度(即1/γ米)。
第一列中c仍旧表示光速。.9c等于光速的十分之九。为了便于参照举个例子:“土星五号”火箭的飞行速度大约是25,000英里/小时。你看,对于任何合理的速度,γ几乎就是1。因此长度和时间几乎没有变化。在生活中,相对论效应只是发生在科幻小说(其中的飞船远比“土星五号”快得多)和微观物理学中(电子和质子常被加速到非常接近光速的速度)。在从芝加哥飞往丹佛的路上,这种效应是不会显现出来的。
宇宙执法者的历险

宇宙执法者AD在A行星上被邪恶的EN博士所擒。EN博士给AD喝了一杯13小时后发作的毒酒,并告诉AD解药在距此40,000,000,000公里远的B行星上。AD得知此情况后立即乘上其0.95倍光速的星际飞船飞往B星,那么:

AD能即使到达B星并取得解药吗?
我们做如下的计算:
A、B两行星之间的距离为40,000,000,000公里。飞船的速度是1,025,000,000公里/小时。把这两个数相除,我们得到从A行星到B行星需要39小时。
那么AD必死无疑。
等一下!这只对于站在A行星上的人而言。由于毒药在AD的体内是要经过新陈代谢(才能发作)的,我们必须从AD的参照系出发研究这一问题。我们可以用两种方法做这件事情,它们将得到相同的结论。
1. 设想一个大尺子从A行星一致延伸到B行星。这个尺子有40,000,000,000公里长。然而,从AD的角度而言,这个尺子以接近光速飞过他身边。我们已经知道这样的物体会发生长度收缩现象。在AD的参照系中,从A行星到B行星的距离以参数γ在收缩。在95%的光速下,γ的值大约等于3.2。因此AD认为这段路程只有12,500,000,000公里远(400亿除以3.2)。我们用此距离除以AD的速度,得到12.2小时,AD将提前将近1小时到达B行星!
2. A行星上的观察者会发现AD到达B需要花费大约39小时时间。然而,这是一个膨胀后的时间。我们知道AD的“钟”以参数γ(3.2)变慢。为了计算AD参照系中的时间,我们再用39小时除以3.2,得到12.2小时。(也)给AD剩下了大约1小时(这很好,因为这给了AD20分钟时间离开飞船,另外20分钟去寻找解药)。

AD将生还并继续与邪恶战斗。

如果对上文中我的描述加以仔细研究,你会发现许多似是而非,非常微妙的东西。当你深入地思考它的时候,一般你最终将提出这样一个问题:“等一下,在AD的参照系中,EN的钟表走得更慢了,因此在AD的参照系中,宇宙旅行应花费更长的时间,而不是更短...
如果你对这个问题感兴趣或者觉得困惑,你可能应该看一下后文《宇宙执法者的历险——微妙的时间》。或者你可以相信我所说的话“如果你把所有的因果都弄清楚,那么所有(这些)都是正确的”并跳到《质量和能量》一章。

宇宙执法者的历险——微妙的时间
好,这就是我们刚刚看到的。我们已经发现在AD相对于EN参照系旅行中的时间膨胀。在EN参照系中,AD是运动的,因此AD的钟走得慢。结果是在此次飞行中EN的钟走了39小时,而AD的钟走了12小时。这常常使人们产生这样的问题:

相对于AD的系,EN是运动的,因此EN的钟应该走得慢。因此当AD到达B行星的时候,他的钟走的时间比EN的长。谁对?长还是短?
好问题。当你问这个问题的时候,我知道你已经开始进入情况了。在开始解释之前,我必须声明在前文所叙述的事情都是对的。在我所描述的情况下,AD可以及时拿到解药。现在让我们来解释这个徉谬。这与我尚未提及的“同时性”有关。相对论的一个推论是:同一参照系中的两个同时(但不同地点)发生的事件相对于另一个参照系不同时发生。
让我们来研究一些同时发生的事件。
首先,让我们假设EN和AD在AD离开A行星时同时按下秒表。按照EN的表,这趟B行星之旅将花费39小时。换言之,EN的表在AD到达B行星时读数为39小时。因为时间膨胀,AD的表与此同时读数为12.2小时。即,以下三件事情是同时发生的:
1、 EN的表读数为39
2、 AD到达B行星
3、 AD的表读数为12.2

这些事件在EN的参照系中是同时发生的。
现在在AD的参照系中,上述三个事件不可能同时发生。更进一步,因为我们知道EN的表一定以参数γ减慢(此处γ大约为3.2),我们可以计算出当AD的表读数为12.2小时的时候,EN的表的读数为12.2/3.2=3.8小时。因此在AD的系中,这些事情是同时发生的:
1、 AD到达B行星
2、 AD的钟的读数为1.2
3、 EN的钟的读数为3.2

前两项在两个系中都是相同的,因为它们在同一地点——B行星发生。两个同一地点发生的事件要么同时发生,要么不同时发生,在这里,参照系不起作用。
从另一个角度看待此问题可能会对你有所帮助。你所感兴趣的事件是从AD离开A行星到AD到达B行星。一个重要的提示:AD在两个事件中都存在。也就是说,在AD的参照系中,这两个事件在同一地点发生。由此,AD参照系的事件被称作“正确时间”,所有其他系中的时间都将比此系中的更长(参见时间膨胀原理)。不管怎样,如果你对AD历险中的时间膨胀感到迷惑,希望这可以使之澄清一些。如果你原本不糊涂,那么希望你现在也不。
质量和能量
除了长度收缩和时间膨胀以外,相对论还有许多推论。其中最著名、最重要的是关于能量的。
能量有许多状态。任何运动的物体都因其自身的运动而具有物理学家所谓的“动能”。动能的大小和物体的运动速度及质量有关。(“质量”非常类似于“重量”,但并不完全相同)放在架子上的物体具有“引力势能”。因为如果架子被移掉,它就(由于引力)具有获得动能的可能。
热也是一种形式的能,其最终可以归结于组成物质的原子和分子的动能,此外还有许多其他形式的能。
把上述现象都和能量联系起来的原因,即它们之间的联系,是能量守恒定律。这个定律是说,如果我们把宇宙中全部的能量都加起来(我们可以用象焦耳或千瓦时这样的单位定量地描述能量),其总量永不改变。此即,能量从不会产生或消灭,尽管它们可以从一种形态转化为另一种形态。例如,汽车是一种可以将(在引擎的汽缸中的)热能转化为(汽车运动的)动能的设备;灯泡(可以)将电能转化为光能(这又是两种能的形式)。
爱因斯坦在他的相对论中发现了能量的另一种形式,有时被称作“静能量”。我已经指出一个运动物体由于其运动而具有了能量。但爱因斯坦发现,同样一个物体在其静止不动的时候同样具有能量。物体内静能量的数量依赖于其质量,并以公式E=mc2给出。
由于光速是如此之大的一个数,一个典型物体
相对论简史http://www.newmind40.com/01_09/swh.htm
相对论http://post.baidu.com/f?kz=11197627
相对论是物理的精华 http://www.qglt.com/bbs/ReadFile?whichfile=304738&typeid=18
爱因斯坦与相对论http://www.oursci.org/ency/physics/001.htm

狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论,因此要弄清相对论的内容,要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间,但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思,只有数学意义,在此不做讨论。
四维时空是构成真实世界的最低维度,我们的世界恰好是四维,至于高维真实空间,至少现在我们还无法感知。我在一个帖子上说过一个例子,一把尺子在三维空间里(不含时间)转动,其长度不变,但旋转它时,它的各坐标值均发生了变化,且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标,它与空间坐标是有联系的,也就是说时空是统一的,不可分割的整体,它们是一种”此消彼长”的关系。
四维时空不仅限于此,由质能关系知,质量和能量实际是一回事,质量(或能量)并不是独立的,而是与运动状态相关的,比如速度越大,质量越大。在四维时空里,质量(或能量)实际是四维动量的第四维分量,动量是描述物质运动的量,因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里,动量和能量实现了统一,称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度,四维加速度,四维力,电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是,电磁场方程组的四维形式更加完美,完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多,这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性,我们不能对它妄加怀疑。
相对论中,时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空,能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到,时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。

3 狭义相对论基本原理
物质在相互作用中作永恒的运动,没有不运动的物质,也没有无物质的运动,由于物质是在相互联系,相互作用中运动的,因此,必须在物质的相互关系中描述运动,而不可能孤立的描述运动。也就是说,运动必须有一个参考物,这个参考物就是参考系。
伽利略曾经指出,运动的船与静止的船上的运动不可区分,也就是说,当你在封闭的船舱里,与外界完全隔绝,那么即使你拥有最发达的头脑,最先进的仪器,也无从感知你的船是匀速运动,还是静止。更无从感知速度的大小,因为没有参考。比如,我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态,因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用,作为狭义相对论的第一个基本原理:狭义相对性原理。其内容是:惯性系之间完全等价,不可区分。
著名的麦克尔逊--莫雷实验彻底否定了光的以太学说,得出了光与参考系无关的结论。也就是说,无论你站在地上,还是站在飞奔的火车上,测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理,光速不变原理。
由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式,速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变幻,与传统的法则相矛盾,但实践证明是正确的,比如一辆火车速度是10m/s,一个人在车上相对车的速度也是10m/s,地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s,而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情况下,这种相对论效应完全可以忽略,但在接近光速时,这种效应明显增大,比如,火车速度是0。99倍光速,人的速度也是0。99倍光速,那么地面观测者的结论不是1。98倍光速,而是0。999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢,对他来说也是光速。因此,从这个意义上说,光速是不可超越的,因为无论在那个参考系,光速都是不变的。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明,是无可挑剔的。正因为光的这一独特性质,因此被选为四维时空的唯一标尺。

4 狭义相对论效应
根据狭义相对性原理,惯性系是完全等价的,因此,在同一个惯性系中,存在统一的时间,称为同时性,而相对论证明,在不同的惯性系中,却没有统一的同时性,也就是两个事件(时空点)在一个关性系内同时,在另一个惯性系内就可能不同时,这就是同时的相对性,在惯性系中,同一物理过程的时间进程是完全相同的,如果用同一物理过程来度量时间,就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道,非惯性系中,时空是不均匀的,也就是说,在同一非惯性系中,没有统一的时间,因此不能建立统一的同时性。
相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系,发现运动的惯性系时间进度慢,这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走的越慢,接近光速时,钟就几乎停止了。
尺子的长度就是在一惯性系中"同时"得到的两个端点的坐标值的差。由于"同时"的相对性,不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,这就是所谓的尺缩效应,当速度接近光速时,尺子缩成一个点。

5 狭义相对论效应2
由以上陈述可知,钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性。也就是说,时间进度与参考系有关。这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观,相对论认为,绝对时间是不存在的,然而时间仍是个客观量。比如在下期将讨论的双生子理想实验中,哥哥乘飞船回来后是15岁,弟弟可能已经是45岁了,说明时间是相对的,但哥哥的确是活了15年,弟弟也的确认为自己活了45年,这是与参考系无关的,时间又是"绝对的"。这说明,不论物体运动状态如何,它本身所经历的时间是一个客观量,是绝对的,这称为固有时。也就是说,无论你以什么形式运动,你都认为你喝咖啡的速度很正常,你的生活规律都没有被打乱,但别人可能看到你喝咖啡用了100年,而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。

6 时钟佯谬或双生子佯谬
相对论诞生后,曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬。一对双生子A和B,A在地球上,B乘火箭去做星际旅行,经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言,二人经历的时间不同,重逢时B将比A年轻。许多人有疑问,认为A看B在运动,B看A也在运动,为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系,B要经历加速与减速过程,是变加速运动参考系,真正讨论起来非常复杂,因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了,只是要用到许多数学知识和公式。在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节,有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是,无论在那个参考系中,B都比A年轻。
为使问题简化,只讨论这种情形,火箭经过极短时间加速到亚光速,飞行一段时间后,用极短时间掉头,又飞行一段时间,用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论,火箭始终是动钟,重逢时B比A年轻。在火箭参考系内,地球在匀速过程中是动钟,时间进程比火箭内慢,但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中,地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周,到达火箭的前方很远的地方。这是一个"超光速"过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾,这种"超光速"并不能传递任何信息,不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程,火箭与地球就不能相遇,由于不同的参考系没有统一的时间,因此无法比较他们的年龄,只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后,B不能直接接受A的信息,因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是在掉头过程中,地球的时间进度猛地加快了。在B看来,A现实比B年轻,接着在掉头时迅速衰老,返航时,A又比自己衰老的慢了。重逢时,自己仍比A年轻。也就是说,相对论不存在逻辑上的矛盾。

7 狭义相对论小结
相对论要求物理定律要在坐标变换(洛伦兹变化)下保持不变。经典电磁理论可以不加修改而纳入相对论框架,而牛顿力学只在伽利略变换中形势不变,在洛伦兹变换下原本简洁的形式变得极为复杂。因此经典力学与要进行修改,修改后的力学体系在洛伦兹变换下形势不变,称为相对论力学。
狭义相对论建立以后,对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的范围,成为研究高速粒子不可缺少的理论,而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后,却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后,惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律实质一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而"不受外力"是什么意思?只能说,不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样,惯性系的定义就陷入了逻辑循环,这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系,但宇宙中却不存在真正的惯性系,整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连,必须修正,但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了,万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力,其中一种就冒出来捣乱,情况当然不会令人满意。
爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论,然而为解决这两个困难,建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题,爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位,把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究了惯性力后,提出了著名的等性原理,发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。几经曲折,爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃一惊,引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时,由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现,两大理论并不相容,至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战:爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止,只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。爱因斯坦为解决这一问题耗费了后半生三十年光阴却一无所获。不过他的工作为物理学家们指明了方向:建立包含四种作用力的超统一理论。目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。

8 广义相对论概述
相对论问世,人们看到的结论就是:四维弯曲时空,有限无边宇宙,引力波,引力透镜,大爆炸宇宙学说,以及二十一世纪的主旋律--黑洞等等。这一切来的都太突然,让人们觉得相对论神秘莫测,因此在相对论问世头几年,一些人扬言"全世界只有十二个人懂相对论"。甚至有人说"全世界只有两个半人懂相对论"。更有甚者将相对论与"通灵术","招魂术"之类相提并论。其实相对论并不神秘,它是最脚踏实地的理论,是经历了千百次实践检验的真理,更不是高不可攀的。
相对论应用的几何学并不是普通的欧几里得几何,而是黎曼几何。相信很多人都知道非欧几何,它分为罗氏几何与黎氏几何两种。黎曼从更高的角度统一了三种几何,称为黎曼几何。在非欧几何里,有很多奇怪的结论。三角形内角和不是180度,圆周率也不是3。14等等。因此在刚出台时,倍受嘲讽,被认为是最无用的理论。直到在球面几何中发现了它的应用才受到重视。
空间如果不存在物质,时空是平直的,用欧氏几何就足够了。比如在狭义相对论中应用的,就是四维伪欧几里得空间。加一个伪字是因为时间坐标前面还有个虚数单位i。当空间存在物质时,物质与时空相互作用,使时空发生了弯曲,这是就要用非欧几何。
相对论预言了引力波的存在,发现了引力场与引力波都是以光速传播的,否定了万有引力定律的超距作用。当光线由恒星发出,遇到大质量天体,光线会重新汇聚,也就是说,我们可以观测到被天体挡住的恒星。一般情况下,看到的是个环,被称为爱因斯坦环。爱因斯坦将场方程应用到宇宙时,发现宇宙不是稳定的,它要么膨胀要么收缩。当时宇宙学认为,宇宙是无限的,静止的,恒星也是无限的。于是他不惜修改场方程,加入了一个宇宙项,得到一个稳定解,提出有限无边宇宙模型。不久哈勃发现著名的哈勃定律,提出了宇宙膨胀学说。爱因斯坦为此后悔不已,放弃了宇宙项,称这是他一生最大的错误。在以后的研究中,物理学家们惊奇的发现,宇宙何止是在膨胀,简直是在爆炸。极早期的宇宙分布在极小的尺度内,宇宙学家们需要研究粒子物理的内容来提出更全面的宇宙演化模型,而粒子物理学家需要宇宙学家们的观测结果和理论来丰富和发展粒子物理。这样,物理学中研究最大和最小的两个目前最活跃的分支:粒子物理学和宇宙学竟这样相互结合起来。就像高中物理序言中说的那样,如同一头怪蟒咬住了自己的尾巴。值得一提的是,虽然爱因斯坦的静态宇宙被抛弃了,但它的有限无边宇宙模型却是宇宙未来三种可能的命运之一,而且是最有希望的。近年来宇宙项又被重新重视起来了。黑洞问题将在今后的文章中讨论。黑洞与大爆炸虽然是相对论的预言,它们的内容却已经超出了相对论的限制,与量子力学,热力学结合的相当紧密。今后的理论有希望在这里找到突破口。

9 广义相对论基本原理
由于惯性系无法定义,爱因斯坦将相对性原理推广到非惯性系,提出了广义相对论的第一个原理:广义相对性原理。其内容是,所有参考系在描述自然定律时都是等效的。这与狭义相对性原理有很大区别。在不同参考系中,一切物理定律完全等价,没有任何描述上的区别。但在一切参考系中,这是不可能的,只能说不同参考系可以同样有效的描述自然律。这就需要我们寻找一种更好的描述方法来适应这种要求。通过狭义相对论,很容易证明旋转圆盘的圆周率大于3。14。因此,普通参考系应该用黎曼几何来描述。第二个原理是光速不变原理:光速在任意参考系内都是不变的。它等效于在四维时空中光的时空点是不动的。当时空是平直的,在三维空间中光以光速直线运动,当时空弯曲时,在三维空间中光沿着弯曲的空间运动。可以说引力可使光线偏折,但不可加速光子。第三个原理是最著名的等效原理。质量有两种,惯性质量是用来度量物体惯性大小的,起初由牛顿第二定律定义。引力质量度量物体引力荷的大小,起初由牛顿的万有引力定律定义。它们是互不相干的两个定律。惯性质量不等于电荷,甚至目前为止没有任何关系。那么惯性质量与引力质量(引力荷)在牛顿力学中不应该有任何关系。然而通过当代最精密的试验也无法发现它们之间的区别,惯性质量与引力质量严格成比例(选择适当系数可使它们严格相等)。广义相对论将惯性质量与引力质量完全相等作为等效原理的内容。惯性质量联系着惯性力,引力质量与引力相联系。这样,非惯性系与引力之间也建立了联系。那么在引力场中的任意一点都可以引入一个很小的自由降落参考系。由于惯性质量与引力质量相等,在此参考系内既不受惯性力也不受引力,可以使用狭义相对论的一切理论。初始条件相同时,等质量不等电荷的质点在同一电场中有不同的轨道,但是所有质点在同一引力场中只有唯一的轨道。等效原理使爱因斯坦认识到,引力场很可能不是时空中的外来场,而是一种几何场,是时空本身的一种性质。由于物质的存在,原本平直的时空变成了弯曲的黎曼时空。在广义相对论建立之初,曾有第四条原理,惯性定律:不受力(除去引力,因为引力不是真正的力)的物体做惯性运动。在黎曼时空中,就是沿着测地线运动。测地线是直线的推广,是两点间最短(或最长)的线,是唯一的。比如,球面的测地线是过球心的平面与球面截得的大圆的弧。但广义相对论的场方程建立后,这一定律可由场方程导出,于是惯性定律变成了惯性定理。值得一提的是,伽利略曾认为匀速圆周运动才是惯性运动,匀速直线运动总会闭合为一个圆。这样提出是为了解释行星运动。他自然被牛顿力学批的体无完肤,然而相对论又将它复活了,行星做的的确是惯性运动,只是不是标准的匀速圆周而已。

10 蚂蚁与蜜蜂的几何学
设想有一种生活在二维面上的扁平蚂蚁,因为是二维生物,所以没有第三维感觉。如果蚂蚁生活在大平面上,就从实践中创立欧氏几何。如果它生活在一个球面上,就会创立一种三角和大于180度,圆周率小于3。14的球面几何学。但是,如果蚂蚁生活在一个很大的球面上,当它的"科学"还不够发达,活动范围还不够大,它不足以发现球面的弯曲,它生活的小块球面近似于平面,因此它将先创立欧氏几何学。当它的"科学技术"发展起来时,它会发现三角和大于180度,圆周率小于3。14等"实验事实"。如果蚂蚁够聪明,它会得到结论,它们的宇宙是一个弯曲的二维空间,当它把自己的"宇宙"测量遍了时,会得出结论,它们的宇宙是封闭的(绕一圈还会回到原地),有限的,而且由于"空间"(曲面)的弯曲程度(曲率)处处相同,它们会将宇宙与自己的宇宙中的圆类比起来,认为宇宙是"圆形的"。由于没有第三维感觉,所以它无法想象,它们的宇宙是怎样弯曲成一个球的,更无法想象它们这个"无边无际"的宇宙是存在于一个三维平直空间中的有限面积的球面。它们很难回答"宇宙外面是什么"这类问题。因为,它们的宇宙是有限无边的封闭的二维空间,很难形成"外面"这一概念。
对于蚂蚁必须借助"发达的科技"才能发现的抽象的事实,一只蜜蜂却可以很容易凭直观形象的描述出来。因为蜜蜂是三维空间的生物,对于嵌在三维空间的二维曲面是"一目了然"的,也很容易形成球面的概念。蚂蚁凭借自己的"科学技术"得到了同样的结论,却很不形象,是严格数学化的。
由此可见,并不是只有高维空间的生物才能发现低维空间的情况,聪明的蚂蚁一样可以发现球面的弯曲,并最终建立起完善的球面几何学,其认识深度并不比蜜蜂差多少。
黎曼几何是一个庞大的几何公理体系,专门用于研究弯曲空间的各种性质。球面几何只是它极小的一个分支。它不仅可用于研究球面,椭圆面,双曲面等二维曲面,还可用于高维弯曲空间的研究。它是广义相对论最重要的数学工具。黎曼在建立黎曼几何时曾预言,真实的宇宙可能是弯曲的,物质的存在就是空间弯曲的原因。这实际上就是广义相对论的核心内容。只是当时黎曼没有像爱因斯坦那样丰富的物理学知识,因此无法建立广义相对论。

11 广义相对论的实验验证
爱因斯坦在建立广义相对论时,就提出了三个实验,并很快就得到了验证:(1)引力红移(2)光线偏折(3)水星近日点进动。直到最近才增加了第四个验证:(4)雷达回波的时间延迟。
(1)引力红移:广义相对论证明,引力势低的地方固有时间的流逝速度慢。也就是说离天体越近,时间越慢。这样,天体表面原子发出的光周期变长,由于光速不变,相应的频率变小,在光谱中向红光方向移动,称为引力红移。宇宙中有很多致密的天体,可以测量它们发出的光的频率,并与地球的相应原子发出的光作比较,发现红移量与相对论语言一致。60年代初,人们在地球引力场中利用伽玛射线的无反冲共振吸收效应(穆斯堡尔效应)测量了光垂直传播22。5M产生的红移,结果与相对论预言一致。
(2)光线偏折:如果按光的波动说,光在引力场中不应该有任何偏折,按半经典式的"量子论加牛顿引力论"的混合产物,用普朗克公式E=hr和质能公式E=MC^2求出光子的质量,再用牛顿万有引力定律得到的太阳附近的光的偏折角是0。87秒,按广义相对论计算的偏折角是1。75秒,为上述角度的两倍。1919年,一战刚结束,英国科学家爱丁顿派出两支考察队,利用日食的机会观测,观测的结果约为1。7秒,刚好在相对论实验误差范围之内。引起误差的主要原因是太阳大气对光线的偏折。最近依靠射电望远镜可以观测类星体的电波在太阳引力场中的偏折,不必等待日食这种稀有机会。精密测量进一步证实了相对论的结论。
(3)水星近日点的进动:天文观测记录了水星近日点每百年移动5600秒,人们考虑了各种因素,根据牛顿理论只能解释其中的5557秒,只剩43秒无法解释。广义相对论的计算结果与万有引力定律(平方反比定律)有所偏差,这一偏差刚好使水星的近日点每百年移动43秒。
(4)雷达回波实验:从地球向行星发射雷达信号,接收行星反射的信号,测量信号往返的时间,来检验空间是否弯曲(检验三角形内角和)60年代,美国物理学家克服重重困难做成了此实验,结果与相对论预言相符。
仅仅依靠这些实验不足以说明相对论的正确性,只能说明它是比牛顿引力理论更精确的理论,因为它既包含牛顿引力论,又可以解释牛顿理论无法解释的现象。但不能保证这就是最好的理论,也不能保证相对论在时空极度弯曲的区域(比如黑洞)是否成立。因此,广义相对论仍面临考验。

12 黑洞漫谈之常规黑洞简介
沸腾的黑洞,你将把物理学引向何方?透过奇异的黑暗,辐射出新世纪的曙光。
19世纪末20世纪初,物理界出现了两朵乌云:黑体辐射与迈克尔逊实验。一年后,第一朵乌云降生了量子论,五年后,第二朵乌云降生了相对论。经过一个世纪的发展,又在这世纪之交,物理界又降生了两朵乌云:奇点困难和引力场量子化困难。这两个困难可能通过黑洞与大爆炸的研究而解决。
基本粒子,天体演化,和生命起源是当代自然科学的三大课题。黑洞与宇宙学的研究与基本粒子,天体演化有密切关系。特别是黑洞的研究涉及一些根本性的问题,有助于我们深入认识自然界,因此,黑洞是本连载的重中之重。
牛顿理论也曾预言过黑洞,将光作为粒子,当光被引力拉回时,就成为一个黑洞。它与现代理论预言的黑洞不同,牛顿黑洞是一颗死星,是天体演化的最终归宿。而现代黑洞,却只是天体演化的一个中间阶段,黑洞也在变化,甚至有些变化异常激烈。黑洞可以发光,放热,甚至爆炸。黑洞不是死亡之星,甚至充满生机。黑洞是相对论的产物,却超出了相对论的范围,与量子论和热力学之间存在深刻的联系。由天体演化形成的黑洞称为常规黑洞。
1972年,美国普林斯顿大学青年研究生贝肯斯坦提出黑洞"无毛定理":星体坍缩成黑洞后,只剩下质量,角动量,电荷三个基本守恒量继续起作用。其他一切因素("毛发")都在进入黑洞后消失了。这一定理后来由霍金等四人严格证明。
由此定理可将黑洞分为四类。(1)不旋转不带电荷的黑洞。它的时空结构于1916年由施瓦西求出称施瓦西黑洞。(2)不旋转带电黑洞,称R-N黑洞。时空结构于1916-1918年由Reissner和Nordstrom求出。(3)旋转不带电黑洞,称克尔黑洞。时空结构由克尔于1963年求出。(4)一般黑洞,称克尔-纽曼黑洞。时空结构于1965年由纽曼求出。
其中最重要的是施瓦西黑洞和克尔黑洞。因为黑洞一般不带电荷,却大都高速旋转,旋转一周只需千分之几秒甚至更小。一般来说,黑洞平均密度是非常大的,但黑洞质量越大密度越小。太阳质量的黑洞密度为100亿吨/立方厘米,宇宙质量的黑洞密度却只有10^(-23)克/立方米数量级与现在宇宙密度已相差不大,因此有人猜测宇宙可能是个黑洞也不无道理。
黑洞引出了奇点困难,体积为零,密度无穷大的数学奇点应该不会在物理界出现,但是自然界中实在找不到其它的力可以抵抗强大的引力,因此,在奇点附近有可能存在至今未被发现的相互作用或物理定律阻止奇点的形成,这也是研究黑洞的意义之一。

13 黑洞漫谈之静态中性黑洞
利用牛顿理论可知,当逃逸速度达到光速时,光也无法从星球表面射出,这就是牛顿黑洞。光的波动说战胜微粒说后,牛顿黑洞被人们淡忘了,因为波是不受引力影响的。有趣的是,从广义相对论计算出的黑洞条件与牛顿理论计算出的完全相同,从现代眼光看,牛顿理论的推导犯了两个错误:(1)将光子动能MC^2写成了(1/2)MC^2,(2)把时空弯曲当成了万有引力。两个错误相互抵消却得到了正确的结论。因此静态中性黑洞的视界半径与牛顿黑洞的半径完全相同。视界就是(在经典范围内,相对论属于经典物理)任何物质都无法逃离的边界。
我们说的黑洞大小是指它的视界大小,黑洞内部其实基本空无一物,只有一个奇点。这个点的体积无穷小,密度无穷大,所有的物质都被压缩到这个点里。先前我们说过,奇点可能不存在,我们把它当很小的点就可以了。我们来看黑洞吞噬物质的场面:假设两艘飞船里分别有两个人A和B,A远离黑洞,B被黑洞吸引。在B看来,它不断的接近黑洞,不断的加速,以接近光速的速度穿过视界,又以极短的时间撞向中心奇点,被压的粉身碎骨,连原子核都被压碎。在A看来,他看不到B的真实过程,他看到B先加速后减速最后停在视界处,逐渐变暗,最终消失。A看到的只是B的飞船上外壳发出的光的行为,B的真实部分早在A不知不觉中撞向了中心奇点。之所以会有减速过程是因为接近黑洞处时间膨胀,使A看到的速度变慢甚至接近零了。A看到的光停在视界上并不与光速不变原理相矛盾,光速不变原理指的是在四维时空中,光走过的四维
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相对论分为广义相对论和狭义相对论
广义相对论的基本概念解释:

广义相对论是爱因斯坦继狭义相对论之后,深入研究引力理论,于1913年提出的引力场的相对论理论。这一理论完全不同于牛顿的引力论,它把引力场归结为物体周围的时空弯曲,把物体受引力作用而运动,归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。因此,广义相对论亦称时空几何动力学,即把引力归结为时空的几何特性。

如何理解广义相对论的时空弯曲呢?这里我们借用一个模型式的比拟来加以说明。假如有两个质量很大的钢球,按牛顿的看法,它们因万有引力相互吸引,将彼此接近。而爱因斯坦的广义相对论则并不认为这两个钢球间存在吸引力。它们之所以相互靠近,是由于没有钢球出现时,周围的时空犹如一张拉平的网,现在两个钢球把这张时空网压弯了,于是两个钢球就沿着弯曲的网滚到一起来了。这就相当于因时空弯曲物体沿短程线的运动。所以,爱因斯坦的广义相对论是不存在“引力”的引力理论。

进一步说,这个理论是建立在等效原理及广义协变原理这两个基本假设之上的。等效原理是从物体的惯性质量与引力质量相等这个基本事实出发,认为引力与加速系中的惯性力等效,两者原则上是无法区分的;广义协变原理,可以认为是等效原理的一种数学表示,即认为反映物理规律的一切微分方程应当在所有参考系中保持形式不变,也可以说认为一切参考系是平等的,从而打破了狭义相对论中惯性系的特殊地位,由于参考系选择的任意性而得名为广义相对论。

我们知道,牛顿的万有引力定律认为,一切有质量的物体均相互吸引,这是一种静态的超距作用。

在广义相对论中物质产生引力场的规律由爱因斯坦场方程表示,它所反映的引力作用是动态的,以光速来传递的。

广义相对论是比牛顿引力论更一般的理论,牛顿引力论只是广义相对论的弱场近似。所谓弱场是指物体在引力场中的引力能远小于固有能,力场中,才显示出两者的差别,这时必须应用广义相对论才能正确处理引力问题。

广义相对论在1915年建立后,爱因斯坦就提出了可以从三个方面来检验其正确性,即所谓三大实验验证。这就是光线在太阳附近的偏折,水星近日点的进动以及光谱线在引力场中的频移,这些不久即为当时的实验观测所证实。以后又有人设计了雷达回波时间延迟实验,很快在更高精度上证实了广义相对论。60年代天文学上的一系列新发现:3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射电源等新的天体物理观测都有力地支持了广义相对论,从而使人们对广义相对论的兴趣由冷转热。特别是应用广义相对论来研究天体物理和宇宙学,已成为物理学中的一个热门前沿。

爱因斯坦一直把广义相对论看作是自己一生中最重要的科学成果,他说过,“要是我没有发现狭义相对论,也会有别人发现的,问题已经成熟。但是我认为,广义相对论不一样。”确实,广义相对论比狭义相对论包含了更加深刻的思想,这一全新的引力理论至今仍是一个最美好的引力理论。没有大胆的革新精神和不屈不挠的毅力,没有敏锐的理论直觉能力和坚实的数学基础,是不可能建立起广义相对论的。伟大的科学家汤姆逊曾经把广义相对论称作为人类历史上最伟大的成就之一。

狭义相对论就是
狭义相对论是建立在四维时空观上的一个理论,因此要弄清相对论的内容,要先对相对论的时空观有个大体了解。在数学上有各种多维空间,但目前为止,我们认识的物理世界只是四维,即三维空间加一维时间。现代微观物理学提到的高维空间是另一层意思,只有数学意义,在此不做讨论。
四维时空是构成真实世界的最低维度,我们的世界恰好是四维,至于高维真实空间,至少现在我们还无法感知。一把尺子在三维空间里(不含时间)转动,其长度不变,但旋转它时,它的各坐标值均发生了变化,且坐标之间是有联系的。四维时空的意义就是时间是第四维坐标,它与空间坐标是有联系的,也就是说时空是统一的,不可分割的整体,它们是一种”此消彼长”的关系。
四维时空不仅限于此,由质能关系知,质量和能量实际是一回事,质量(或能量)并不是独立的,而是与运动状态相关的,比如速度越大,质量越大。在四维时空里,质量(或能量)实际是四维动量的第四维分量,动量是描述物质运动的量,因此质量与运动状态有关就是理所当然的了。在四维时空里,动量和能量实现了统一,称为能量动量四矢。另外在四维时空里还定义了四维速度,四维加速度,四维力,电磁场方程组的四维形式等。值得一提的是,电磁场方程组的四维形式更加完美,完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理定律比三维定律要完美的多,这说明我们的世界的确是四维的。可以说至少它比牛顿力学要完美的多。至少由它的完美性,我们不能对它妄加怀疑。
相对论中,时间与空间构成了一个不可分割的整体——四维时空,能量与动量也构成了一个不可分割的整体——四维动量。这说明自然界一些看似毫不相干的量之间可能存在深刻的联系。在今后论及广义相对论时我们还会看到,时空与能量动量四矢之间也存在着深刻的联系。
物质在相互作用中作永恒的运动,没有不运动的物质,也没有无物质的运动,由于物质是在相互联系,相互作用中运动的,因此,必须在物质的相互关系中描述运动,而不可能孤立的描述运动。也就是说,运动必须有一个参考物,这个参考物就是参考系。
伽利略曾经指出,运动的船与静止的船上的运动不可区分,也就是说,当你在封闭的船舱里,与外界完全隔绝,那么即使你拥有最发达的头脑,最先进的仪器,也无从感知你的船是匀速运动,还是静止。更无从感知速度的大小,因为没有参考。比如,我们不知道我们整个宇宙的整体运动状态,因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引用,作为狭义相对论的第一个基本原理:狭义相对性原理。其内容是:惯性系之间完全等价,不可区分。
著名的麦克尔逊--莫雷实验彻底否定了光的以太学说,得出了光与参考系无关的结论。也就是说,无论你站在地上,还是站在飞奔的火车上,测得的光速都是一样的。这就是狭义相对论的第二个基本原理,光速不变原理。
由这两条基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换式,速度变换式等所有的狭义相对论内容。比如速度变幻,与传统的法则相矛盾,但实践证明是正确的,比如一辆火车速度是10m/s,一个人在车上相对车的速度也是10m/s,地面上的人看到车上的人的速度不是20m/s,而是(20-10^(-15))m/s左右。在通常情况下,这种相对论效应完全可以忽略,但在接近光速时,这种效应明显增大,比如,火车速度是0。99倍光速,人的速度也是0。99倍光速,那么地面观测者的结论不是1。98倍光速,而是0。999949倍光速。车上的人看到后面的射来的光也没有变慢,对他来说也是光速。因此,从这个意义上说,光速是不可超越的,因为无论在那个参考系,光速都是不变的。速度变换已经被粒子物理学的无数实验证明,是无可挑剔的。正因为光的这一独特性质,因此被选为四维时空的唯一标尺。

生活中的相对论有哪些?

  相对论是比牛顿力学更深刻的科学理论,一般我们认为,只有在高速运动下相对论效应才明显;实际上,在我们日常生活中,就有一些现象,本质上只有加上相对论才能够得到完美解释。

  黄金的颜色

  黄金是一种稀有金属,高纯度的黄金呈发亮的金黄色,其实黄金的颜色中就隐藏着相对论。

  金属的最外层电子数通常较少,容易丢失形成自由电子,电子在不同能级间的跃迁也频繁,当外界光子撞击金属时,光子会被金属吸收后重新发射出来,其中对可见光波长的反射最为明显,所以绝大部分金属呈现出金属光泽。

  

  金是第79号化学元素,有6个电子层,电子排布分别是2-8-18-32-18-1,金属于重原子,内层电子的经典绕核速度非常快(达到了光速的65%),以至于内层电子的相对论质增效应非常明显。

  

  导致的结果就是电子轨道稍微向内收缩,相邻电子轨道间的能带间隙降低,其中金原子核外电子的第5层和第6层能带间隙降低到大约2.4eV,对应可见光中的蓝色波段,当可见光照射到金原子上时,蓝色光容易被吸收,而蓝色的互补色是黄色,所以金块会呈现金黄色;也正是因为电子轨道更加靠近原子核,所以金的化学性质非常稳定。

  电磁铁的本质

  根据麦克斯韦方程组,电能生磁,磁也能生电,这是经典力学描述电和磁之间的相互关系,但仅限于表面现象,更深层的机制其实可以用相对论来解释。

  我们知道,在通电导线周围会产生磁场,带电粒子在磁场中做切割磁感线的运动会受到洛伦兹力,通常情况下, 导线中带正电荷的原子核,与带负电荷的电子会相互抵消电荷净值,对外不显电性。

  

  当导线中的电子定向移动,外部电荷也相对于导线做轴向运动时,在外部电荷的参考系看来,导线是向左移动的,导线内部的正电荷也随着导线向左运动,这时候就得考虑相对论尺缩效应,导致的结果就是给定导线空间内的正电荷密度大于负电荷密度,导线的净电荷不为零,此时就会对外界的带电粒子产生库仑力,如果是两条同向导线通电就会相互排斥。

  

  不止是电磁铁,一切有关磁的现象,本质上都可以用相对论来进行解释,磁力的溯源最终都是库仑力,所以电和磁本身就是统一的,我们解释为磁力还是库仑力,其实取决于我们所处的参考系。

  有人可能会说,对于导线中电流来说,电子定向移动的速度只有每秒几毫米~几厘米,远远低于光速,怎么可能会有这么明显的相对论效应?

  

  其中的原因在于,库仑力的强度非常大,相对强度是万有引力的10^37倍,我们把1千克氢原子中的质子和电子完全分开,放到相距30厘米的地方,它们之间的吸引力将和地球对月球的万有引力相当;所以即便导线中自由电子的运动速度很慢,但是库仑力足以引起明显的相对论效应。

  汞在常温下呈液态

  汞的熔点只有-39℃,是所有金属当中最低的,常温下呈液态,这当中其实也包含了量子力学和相对论。

  前面我们提到金(79号元素)的最外层电子数为1,而汞是第80号元素,最外层电子数是2。对于金来说,6s轨道上的电子数未满,需要和相邻原子共享最外层电子,导致金的熔点很高。

  

  而汞的6s轨道上电子数满了,与金原子一样,汞的电子轨道也因为相对论效应发生了收缩,6s轨道降低,使得6s轨道距离下一个6p轨道变远,其结果就是汞的6s轨道电子异常稳定,难以和相邻原子发生相互作用,导致汞的熔沸点非常低。

  全球定位系统

  卫星定位想要获得足够的精度,其卫星使用的时钟必须非常精确,精确到纳秒级别(十亿分之一秒),同步轨道定位卫星以每秒3公里的速度绕地球运转,每天的相对论时间膨胀大约是4微秒,如果不加以修正,每天定位产生的累计误差将达到8公里。

  

  所以全球定位系统(包括中国的北斗,美国的GPS等等)是离不开相对论的,这也是我们在日常生活中,接触相对论最直接的地方。

  

地球是圆的,这就是相对论。地球不是正圆的,而是椭圆的,大家对于地球的论述还是不是相当的准确的呀。
我觉得有一个对相对论的解释就非常符合生活实际。这个解释是这样子的:如果你自己一个人坐在火炉旁坐了五分钟,你会感觉时间过去了一个小时。但是如果你是和一个很好看很有魅力的人一起坐在火炉旁边的话,就算过去了一个小时,你也会以为只过去了5分钟。所以说人对于时间的感觉是会相对的变化的。
比如电磁铁,利用相对论制成发电机,以及GPS定位系统,卫星导航就是利用相对论效应。
相对论是一套完整的理论生活中有许多可以证明它的东西。它们包括生活中的惯力与引力的关系,速度的变化和参照物无关等等。

关于相对论的实验

关于相对论的实验..不管是支持还是不支持都好!!急急急急啊!!!
光线在通过大质量物体附近时会发生弯曲,这是广义相对论的一个重要预言。但对这一预言的验证常被戏剧化地、简单化和夸张地再现给观众和读者,大大偏离了科学史史实。那么,真实的情形如何呢?
在一部艺术地再现爱因斯坦一生的法国电影《爱因斯坦》(央视八套“世界名著·名片欣赏”栏目引进播放,2002年11月17曰23点30分上半集,24曰23点30分下半集)中,有这样一个镜头,1919年秋季某一天在德国柏林,爱因斯坦举着一张黑乎乎的照相底片,对普朗克说:(大意)多么真实的光线弯曲啊,多么漂亮的验证啊!
光线在通过大质量物体附近时会发生弯曲,这是广义相对论的一个重要预言。但对这一预言的验证常被戏剧化、简单化和夸张地再现给观众和读者,大大偏离了科学史史实。笔者觉得围绕光线弯曲的预言与验证,有以下三个方面的史实需要澄清。
首先,光线弯曲不是广义相对论独有的预言。早在1801年索德纳(Johann von Soldner,1766-1833)就根据牛顿力学,把光微粒当做有质量的粒子,预言了光线经过太阳边缘时会发生0.87角秒的偏折。1911年在布拉格大学当教授的爱因斯坦根据相对论算出曰食时太阳边缘的星光将会偏折0.87角秒。1912年回到苏黎士的爱因斯坦发现空间是弯曲的,到1915年已在柏林普鲁士科学院任职的爱因斯坦把太阳边缘星光的偏折度修正为1.74角秒。
其次,需要观测来检验的不只是光线有没有弯曲,更重要的是光线弯曲的量到底是多大,并以此来判别哪种理论与观测数据符合得更好。这里非常关键的一个因素就是观测精度。即使观测结果否定了牛顿理论的预言,也不等于就支持了广义相对论的预言。只有观测值在容许的误差范围内与爱因斯坦的预言符合,才能说观测结果支持广义相对论。20世纪60年代初,有一种新的引力理论——布兰斯-迪克理论(Brans-Dicke Theory)也预言星光会被太阳偏折,偏折量比广义相对论预言的量小8%。为了判别广义相对论和布兰斯-迪克理论哪个更符合观测结果,对观测精度就提出了更高的要求。
第三,光线弯曲的效应不可能用眼睛直观地在望远镜内或照相底片上看到,光线偏折的量需要经过一系列的观测、测量、归算后得出。要检验光线通过大质量物体附近发生弯曲的程度,最好的机会莫过于在发生曰全食时对太阳所在的附近天区进行照相观测。在曰全食时拍摄若干照相底片,然后最好等半年之后对同一天区再拍摄若干底片。通过对相隔半年的两组底片进行测算,才能确定星光被偏折的程度。这里还需要指出,即使是在曰全食时,在紧贴太阳边缘处也是不可能看到恒星的。以1973年的一次观测为例,被拍摄到的恒星大多集中在离开太阳中心5到9个太阳半径的距离处,所以太阳边缘处的星光偏折必定是根据归算出来的曲线而外推获得的量。靠近太阳最近的一、二颗恒星往往非常强烈地影响最后的结果。
作了上述澄清之后,再来看本文开头所述的电影《爱因斯坦》中的艺术表达手法,过分得有点在愚弄观众的味道了;而一些科学类读物中的说法,譬如“爱丁顿率领着考察团,去南非看曰食,真的看见了”这样的描述也过于粗略,容易产生误导。那么,对光线弯曲预言的验证的真实历史是怎样的呢?
爱丁顿对检验广义相对论关于光线弯曲的预言十分感兴趣。为了在1919年5月29曰发生曰全食时进行检验光线弯曲的观测,英国人组织了两个观测远征队。一队到巴西北部的索布拉尔(Sobral),另一队到非洲几内亚海湾的普林西比岛(Principe),爱丁顿参加了后一队,但他的运气比较差,曰全食发生时普林西比的气象条件不是很好。1919年11月两支观测队的结果被归算出来:索布拉尔观测队的结果是1.98〃±0.12〃;普林西比队的结果是1.61〃±0.30〃。1919年11月6曰,英国人宣布光线按照爱因斯坦所预言的方式发生偏折。
但是这一宣布是草率的,因为两支观测队归算出来的最后结果后来受到人们的怀疑。天文学家们明白,在检验光线弯曲这样一个复杂的观测中,导致最后结果产生误差的因素很多。其中影响很大的一个因素是温度的变化,温度变化导致大气扰动的模型发生变化、望远镜聚焦系统发生变化、照相底片的尺寸因仍煌冷缩而发生变化,这些变化导致最后测算结果的系统误差大大增加。爱丁顿他们显然也认识到了温度变化对仪器精度的影响,他们在报告中说,小于10°F的温差是可以忽略的。但是索布拉尔夜晚温度为75°F,白天温度为97°F,昼夜温差达22°F。后来研究人员考虑了温度变化带来的影响,重新测算了索布拉尔的底片,最大的光线偏折量可达2.16〃±0.14〃。
底片的成像质量也影响最后结果。1919年7月在索布拉尔一共拍摄了26张比较底片,其中19张由格林尼治皇家天文台的天体照相仪拍摄,这架专门用于天体照相观测的仪器所拍摄的底片质量却较差,另一架4英寸的望远镜拍摄了7张成像质量较好的底片。按照前19张底片归算出来的光线偏折值是0.93〃,按照后7张底片归算出来的光线偏折值却远远大于爱因斯坦的预言值。最后公布的值是所有26张底片的平均值。研究人员验算后发现,如果去掉其中成像不好的一、二颗恒星,会大大改变最后结果。
后来1922年、1929年、1936年、1947年和1952年发生曰食时,各国天文学家都组织了检验光线弯曲的观测,公布的结果有的与广义相对论的预言符合较好,有的则严重不符合。但不管怎样,到20世纪60年代初,天文学家开始确信太阳对星光有偏折,并认为爱因斯坦预言的偏折量比牛顿力学所预言的更接近于观测,但是爱因斯坦的理论可能需要修正。
1973年6月30曰的曰全食是20世纪全食时间第二长的曰全食,并且发生曰全食时太阳位于恒星最密集的银河星空背景下,十分有利于对光线偏折进行检验。美国人在毛里塔尼亚的欣盖提沙漠绿洲建造了专门用于观测的绝热小屋,并为提高观测精度作了精心的准备,譬如把暗房和洗底片液保持在20°C、对整个仪器的温度变化进行监控等等。在拍摄了曰食照片后,观测队封存了小屋,用水泥封住了望远镜上的止动销,到11月初再回去拍摄了比较底片。用精心设计的计算程序对所有的观测量进行分析之后,得到太阳边缘处星光的偏折是1.66〃±0.18〃。这一结果再次证实广义相对论的预言比牛顿力学的预言更符合观测,但是难以排除此前已经提出的布兰斯-迪克理论。
光学观测的精度似乎到了极限,但1974年到1975年间,福马伦特和什拉梅克利用甚长基线干涉仪,观测了太阳对三个射电源的偏折,最后得到太阳边缘处射电源的微波被偏折1.761〃±0.016〃。终于天文学家以误差小于1%的精度证实了广义相对论的预言,只不过观测的不是看得见的光线而是看不见的微波。
那么,我们难道只能说直到1975年爱因斯坦的广义相对论才成为“正确”的理论?才上升为科学?
从本文前述广义相对论提出之后半个多世纪里人们对光线弯曲预言的检验情况来看,1919年所谓的验证在相当程度上是不合格的。但爱因斯坦因这次验证而获得了极大的荣誉也是毋庸置疑的。如今的媒体和大多数科学史家也都把1919年的曰食观测当做证实了爱因斯坦理论的观测。那么爱因斯坦本人又是如何看待他的理论预言和观测验证的呢?
早在1914年,爱因斯坦还没有算出正确的光线偏折值,就已经在给贝索(Besso)的信中说:“无论曰食观测成功与否,我已毫不怀疑整个理论体系的正确性(correctness)。”还有一个故事也广泛流传,说的是当预言被证实的消息传来,爱因斯坦正在上课,一位学生问他假如他的预言被证明是错的,他会怎么办?爱因斯坦回答说:“那么我会为亲爱的上帝觉得难过,毕竟我的理论是正确的。”1930年爱因斯坦写道:“我认为广义相对论主要意义不在于预言了一些微弱的观测效应,而是在于它的理论基础的简单性。”
在爱因斯坦看来,是广义相对论内在的简单性保证了它的“正确”性。1919年的证实确实给爱因斯坦带来了荣誉,但那是科学之外的事情;1919年的证实或许还让更多的人“相信”广义相对论是“正确”的,但这种证实很大程度上只是起到了“说服”的作用。从科学史上来看,精密的数理科学的进步模式确实有着这样的规律和特点:它们往往是运用了当时已有的最高深的数学知识而构建起来的一些精致的理论模型,它们的“正确”性很大程度上由它们内在的简单性和统一性所保证。虽然它们必然会给出可供检验的预言,譬如哥白尼曰心说预言了恒星周年视差,爱因斯坦广义相对论预言了光线弯曲,霍金的黑洞理论预言了霍金辐射,但不必等到这些预言被证实,那些理论就应该并可以被当做科学理论。
那么“预言的证实”除了给爱因斯坦带来科学之外的荣誉外,还有没有别的意义呢?笔者以为,通过观测来证实某一理论,对于该理论被科学共同体接受有至关重要的作用。在理论提出者譬如爱因斯坦来说,他自信理论的正确性有内在的保证。而对于更多的其他人,他们并没有能力在深刻理解理论的基础上来判断该理论的正确性,所以只能采取“预言-证实”这样一种在其他场合也能行之有效的模式来判断理论的正确性。这“更多的其他人”包括了从较为专业的研究人员到一般大众的复杂人群构成。在理论提出者和“更多其他人”眼里,理论“正确”的标准也显然是不一致的。爱因斯坦在1914年就确信他的理论是正确的;从报纸等媒体上获悉科学信息的一般大众则在1919年相信了爱因斯坦是正确的;而在更为专业的研究人员那里,还要经过半个多世纪的反复检验,才敢说广义相对论在当时的认识水平上是正确的。
爱因斯坦戏说相对论

实验摘要:

一个男人与一个美女对坐1小时,会觉得似乎只过了1分钟;但如果让他在热火炉上坐1分钟,他会觉得过了长长的1个小时。这就是相对论。

实验材料:

我无法取得火炉,因为帮我煮饭的女士禁止我接近厨房一步。不过我仍然偷偷取得一部1924年制的曼宁-鲍曼牌松饼机;关于美女,我请卓别林帮忙安排与他妻子宝丽·戈达见面,她拥有意第绪语中所谓的shaynapunim,也就是“美丽的面庞”,有相当高的美丽度。

实验过程:

我与戈达小姐在纽约大中央车站的“大蚝酒店”里见面,我觉得似乎过了1分钟时看手表,发现实际上已经过了57分钟;回到家我将松饼机加热,穿上长裤和长的白衬衫,坐在松饼机上,我觉得似乎过了1小时时看手表,发现实际上过了不到1分钟。

为保持两个叙述状况中的单位一致,我将57分钟和不到1分钟分别四舍五入为1小时和1分钟。

实验结论:

观察者的心理状态对时间的感知有很大影响。

=mc2质能方程式

在1905年发表的狭义相对论论文中,爱因斯坦第一次给出了这个简洁与完美并具的著名公式。E代表物体静止时所含的能量,m代表它的质量,c代表光速。质能方程式的意义在于,它意味着每一单位都有一巨大数量的能量,只不过藏而不露。而当质量为m的原子分为m'和m''时,释放出的能量将至巨大。原子弹的理论依据,便源出于此。

给我证明相对论和运用相对论的实验依据

我是高中生,想知道相对论在客观事物上是否真的被严谨的验证过、切实运用的资料,我知道有,但找不到太多。
你想法还真超前呢
美发射卫星验证相对论
新华社华盛顿4月20日电 经过45年酝酿和开发,耗资7.5亿美元的美国“引力探测器B”卫星,20日下午从加利福尼亚州范登堡空军基地成功升空,它的使命是以前所未有的精度对爱因斯坦1916年提出的广义相对论进行验证。

广义相对论认为,引力是因质量的存在而引起的时空弯曲,引力场的存在会改变时空几何学规则,时间和空间是不可分割的四维整体。与牛顿经典力学理论相比,广义相对论代表着人类时空观的革命。

“引力探测器B”将对广义相对论的两项重要预测进行验证。这两项预测分别被称为“短程线效应”和“惯性系拖曳效应”。
相对论被证实
1881年,美国实验物理学家A.麦克尔逊作了关于上述问题的实验。A.麦克尔逊以高度的准确性测量了光沿着不
同方向传播的速度数值。为了探测预想中的微小差别,A.麦克尔逊使用了非常精确的实验设备,他的实验精确性很
高,他测量出来的速度差别比预想中的差别要小得多。A.麦克尔逊的实验,以后在不同的条件下又作过多次。他的实验得到了出乎预料的结果。在一个运动着的参照
系里,光的传播情形同我们在前面推想的恰恰相反。A.麦克尔逊发现,在地球上,光向任何方向传播,其速度都时
相同的、不变的。在这一意义上,光的传播使我们联想到子弹的飞行。前面我们曾经设想,在一列运动中的火车上,
子弹运动同火车的运动无关。同车厢相对而言,子弹向任何方向运动,其前进速度是相同的。

于是,A.麦克尔逊的实验证明:同我们的推想恰恰相反,光的传播同运动的相对性原理并不矛盾,而是完全符
合运动的相对性原理。这也就是说,我们在前面“运动的相对性原理会被动摇吗”一节中所作的推理是完全错误的。

爱因斯坦提出相对论100周年 带来五大奇妙发现
这个形式简洁优美的理论蕴藏了太多令人惊讶的内容,100年来,人们时时从中悟出宇宙层出不穷的奥秘,直到今天,这里还有很多内容没有被我们悟透。

文/甘信风

相对论的研究对象是超越我们日常经验的高速运动世界和广阔的宇宙,这是我们难以理解相对论的主要原因。

自相对论诞生之日起,它所带来的时空观革命就极大地拓展了人类对宇宙的理解。从相对论中,人们发现了时间旅行的奥秘、原子裂变的巨大能量、宇宙的起源和终结、黑洞和暗能量等奇妙现象。几乎宇宙所有的奥秘都隐藏在相对论那几行简单的公式中。

时间旅行

时间旅行也许意味着可以去修正或改变命运的发展,或是与历史上的风云人物们一起去见证伟大的历史事件;人们当然也有可能去未来旅行,比如去那里了解股市行情,探知科学上的新发现。时间旅行打开了一扇既可以回到过去又可以踏入未来的大门。

如果认为时间旅行仅仅只是一个科幻小说的题材,那就大错特错了,因为相对论的思想表明,时间旅行是可能的。

狭义相对论证明高速旅行会使时间变慢,假定将来的某个时候,人们已解决了所有的技术难题,能够制造一艘以亚光速飞行的宇宙飞船,一定意义上的时间旅行就变成可能了。如果飞船以亚光速从地球出发向遥远的星系飞去,来回的旅程仅仅几年(按飞船上的时间),但在此期间地球上却已过去了几千年,一切都发生了天翻地覆的变化。如果人类文明依然还存在的话,那又会是一个什么新的模样呢?

广义相对论表明,时空可以不是平坦的,而是弯曲的。我们可以在地球与宇宙遥远的地方这两点之间凿出一个虫洞,然后用某种“奇异物质”把洞口撑开,使之成为一个突然出现在宇宙中的超空间管道,让我们在瞬间到达遥远的彼岸。然后当我们返回时,虫洞的奇异性质让我们年轻了很多。

广义相对论判定足够的质量能改变和扭曲时空,数学家法兰克·提普勒据此设想了把时空卷起来的时间旅行方法。他认为,如果太空中的一个巨大物体以一半光速旋转,时空便会扭曲折回。因此,只要将来有人制造一个巨大的圆筒,它的长约为直径的10倍,然后使圆筒以15万公里/秒的速度旋转,便会使圆筒中央附近产生一个扭曲折回的时空。

要将这圆筒当时间机器使用,宇宙飞船一定要开到圆筒的中心沿圆筒内壁盘旋飞行:逆圆筒旋转的方向航行是驶入过去,顺圆筒旋转的方向航行是驶入未来,每盘旋一周都使宇宙飞船更深入过去或未来一些。时间旅行者到达了目的时间,便将飞船驶离圆筒。有一件必须明了的事是,正像所有理论上的时间机器一样,就是驶向过去无论怎样也不能到达比制成圆筒更早的时间。

时间旅行是一个极具幻想色彩、也极具魅力的话题,长期以来,科学家们提出的方案一个又一个,时间旅行可能遇到的问题也被热烈讨论着。总有一天,相对论迷人的光芒会照耀着我们开始真正的时间旅行。

原子裂变

1905年11月,爱因斯坦同样在德国《物理学纪事》杂志上发表了关于狭义相对论的第二篇文章:《物体的惯性同它所包含的能量有关吗?》,这是一篇短文,在这篇论文中,他提出一个物体的质量并不是恒定不变的,而是随着运动速度的增加而增加。这就是运动中物体的“质增效应”。

现在我们想象我们在推一辆小板车,板车很轻,上面什么东西也没有。假设这是一辆在真空中的“理想”板车,没有任何摩擦力、也没有任何阻力,因此,只要我们持续地推它,它的速度就越来越快,但随着时间的推移,它的质量也越来越大,起初像车上堆满了钢铁,然后好像是装着一座喜马拉雅山、再然后好像是装着一个地球、一个太阳系、一个银河系……当小板车接近光速时,好像整个宇宙都装在它上面——它的质量达到无穷大。这时,你无论施加多大力,无论推多长时间,它都不可能运动得再快一些。

由此可见,光子既然以光速传播,它的静止质量就必须等于零,否则它的运动质量就会无穷大。

当物体运动接近光速时,我们不断地对物体施加外力,供给能量,可物体速度的增加越来越困难,我们施加的能量去哪儿了呢?其实能量并没有消失,而是转化为了质量。这就是说,物体质量的增加与动能增加有着密切联系,或者说物体的质量与能量之间有着密切联系。爱因斯坦在说明这种联系的过程中,提出了著名的质能关系式:E=mc2.

能量等于质量乘以光速的平方,即使是在不甚关心其实用价值的纯理论型的物理学家看来也是惊心动魄的,而在绝大多数人眼里,能量等于质量乘以光速的平方,即能量是质量的900万倍,是多么诱人的前景呀!指甲盖般大小的物质的质量如果完全消失,其释放的能量是用以万吨煤炭来计算的。

遗憾的是,没人能随便减少质量,譬如一块石头,我们尽可以用锤子砸成小块,然后碾成碎末,可是当你仔细地收集这些碎末后就会发现它的质量并未变化。

但是,十几年后的1939年,约里奥·居里、费米、西拉德这三位科学家分别独立发现了链式反应,使人类找到了释放巨大原子能的方法。铀235的核收到中子轰击就会发生裂变,分裂成两个中等质量的新原子核,放出1~3个中子,并释放出巨大能量,这些中子又能引发其它铀核再分裂,如此反复,形成连锁反应,不断释放巨大能量。这就是链式反应。

链式反应使原子能成为杀伤力巨大的新武器。仅仅在几年后,人类第一颗原子弹在美国爆炸成功,紧接着日本人遭受了人类历史上最残酷的惩罚,几十万人死伤,其中一部分人瞬间还被原成基本粒子,真成了魂飞魄散。E=mc2在给人间带来希望之前,带来的先是致命的创伤,这一切对于深爱和平的爱因斯坦来说无疑是一记重拳,直至临死前他仍为此痛心不已。

宇宙大爆炸

令我们这些当代人感到惊诧的是,迟至1917年,那些人类最具智慧的大脑仍然以为我们的银河系就是整个宇宙,而这个银河系大小的宇宙永远都是稳定不变的,既不会变大也不会变小,这就是流传了千百年的稳恒态宇宙观。

1917年,爱因斯坦试图根据广义相对论方程推导出整个宇宙的模型,但他发现,在这样一个只有引力作用的模型中,宇宙不是膨胀就是收缩。为了使这个宇宙模型保持静止,爱因斯坦在他的方程里额外增加了一个新的概念——宇宙常数,它表示的是一种斥力,同引力相反,它随着天体之间距离的增大而增强。这是一个假想的、用以抵消引力作用的力。

然而,爱因斯坦很快发现自己错了。因为科学家们很快发现,宇宙实际上是膨胀的!

最早观察到这一点的是20世纪的天文学之父哈勃。哈勃1889年出生于美国的密苏里州,毕业于芝加哥大学天文系。1929年,哈勃发现所有星系都在远离我们而去,这表明宇宙正在不断膨胀。这种膨胀是一种全空间的均匀膨胀,因此,在任何一点的观测者都会看到完全一样的膨胀,从任何一个星系来看,一切星系都以它为中心向四面散开,越远的星系间彼此散开的速度越大。

宇宙的膨胀意味着,在早先,星体相互之间更加靠近,并且在更遥远过去的某一刻,它们似乎在同一个很小的范围内。

宇宙膨胀的消息传到著名物理学家伽莫夫那里去的时候,立即引起了这位学者的兴趣。乔治·伽莫夫出生于俄国,自小对诗歌、几何学和物理学都深感兴趣,在大学时期成为物理学家弗里德曼的得意门生。弗里德曼曾在爱因斯坦之后提出了重要的宇宙膨胀模型,伽莫夫也成为宇宙膨胀理论的热心支持人之一。1945年,人类史上第一颗原子弹爆炸成功,看着蘑菇云升起的照片,伽莫夫突发灵感:把原子弹规模“放大”到无穷大,不就成了宇宙爆炸吗?他把核物理知识和宇宙膨胀理论结合起来,逐渐形成了自己的一套大爆炸宇宙理论体系。

1948年,伽莫夫和他的学生阿尔法合写了一篇著名论文,系统地提出了宇宙起源和演化的理论。与我们惯常的想法不同,这个创生宇宙的大爆炸不是发生在一个确定的点,然后向四周的空气传播开去的那种爆炸,而是空间本身在扩展,星系物质随着空间的扩展而分开。

根据大爆炸宇宙论,极早期的宇宙是一大片由微观粒子构成的均匀气体,温度极高,密度极大,且以很大的速率膨胀着。伽莫夫还作出了一个非凡的预言:我们的宇宙仍沐浴在早期高温宇宙的残余辐射中,不过温度已降到6K左右。正如一个火炉虽然不再有火了,还可以冒一点热气。

1964年,美国贝尔电话公司年轻的工程师——彭齐亚斯和威尔逊,因一次偶然的机会发现了伽莫夫所预言的早期宇宙的残余辐射,经过测量和计算,得出这个残余辐射的温度是2.7K(比伽莫夫预言的温度要低),一般称为3K宇宙微波背景辐射。这一发现有力的佐证了宇宙大爆炸理论。

广义相对论的智慧之处就在于,它从诞生起就能描述整个完整的宇宙,即使那些未知的领域也被全部囊括进去。让它对付像太阳系这样小小的、很普通的时空领域可真是大材小用了。

宇宙常数死而复生——暗能量

在发现了宇宙膨胀这个事实后,爱因斯坦就急急忙忙把他方程中的宇宙常数项去掉了,并认为宇宙常数是他“一生中最大的错误”。随后,宇宙常数被抛进历史的垃圾堆。

然而造化弄人,几十年后,宇宙常数又像鬼魂般的复活了。这次宇宙常数的复活要归因于暗能量的发现。

1998年,天文学家们发现,宇宙不只是在膨胀,而且在以前所未有的加速度向外扩张,所有遥远的星系远离我们的速度越来越快。那么一定有某种隐藏的力量在暗中把星系相互以加速膨胀的方式撕扯开来,这是一种具有排斥力的能量,科学家们把它称为“暗能量”。近年来,科学家们通过各种的观测和计算证实,暗能量不仅存在,而且在宇宙中占主导地位,它的总量约达到宇宙总量的73%,而宇宙中的暗物质约占23%、普通物质仅约占4%.我们一直以为满天繁星就已经够多了,宇宙中还有什么能比得上它们呢?而现在,我们才发现这满天繁星却是“弱势群体”,剩下的绝大部分都是我们知之甚少或干脆一无所知的,这怎么不让人感到惊心动魄呢!

事实上,早在1930年,就有天体物理学家指出,爱因斯坦那加入了宇宙常数的宇宙学方程并不能导出完全静态的宇宙:因为引力和宇宙常数是不稳定的平衡,一个小小的扰动就能导致宇宙失控的膨胀和收缩。而暗能量的发现告诉我们,爱因斯坦那作为与引力相抗衡的宇宙常数不仅确确实实存在,而且大大扰动了我们的宇宙,使宇宙的膨胀速率严重失控。在经历了一系列曲折后,宇宙常数正在时间中复活。

宇宙常数今日以暗能量的面目出现在世人面前,它所产生的汹涌澎湃的排斥力已令整个宇宙为之变色!暗能量和引力之间的角力战自宇宙诞生起就没有停止过,在这场漫长的战斗中,最举足轻重的就是彼此的密度。物质的密度随着宇宙膨胀导致的空间增大而递减;但暗能量的密度在宇宙膨胀时,变化得非常缓慢,或者根本保持不变。在很久以前,物质的密度是较大的,因此那时的宇宙是处于减速膨胀的阶段;现今的暗能量密度已经大于物质的密度,排斥力已经从引力手中彻底夺得了控制权,以前所未有的速度推动宇宙膨胀。根据一些科学家的预测,再过200多亿年,宇宙将迎来动荡的末日,恐怖的暗能量终将把所有的星系、恒星、行星一一撕裂,宇宙将只剩下没有尽头的寒冷、黑暗。

暗能量的发现,也充分地体现了人类认知过程又走进了一个“悖论怪圈”:即宇宙中所占比例最多的,反而是最迟也是最难为我们所知晓的。一方面人类现在对宇宙奥秘的了解越来越多,另一方面我们所要面对的未知也越来越多。而这日益深远的未知又反过来不断刺激着人类去探索宇宙背后的真相。

暗能量是怎么来的?它将如何发展?这已经是21世纪宇宙学所面临的最重大问题之一。

黑洞大发现

广义相对论表明,引力场可以造成空间弯曲,强大的引力场可以造成强烈的空间弯曲,那么无限强大的引力场会产生什么情况呢?

1916年爱因斯坦发表广义相对论后不久,德国物理学家卡尔·史瓦西就用这个理论描绘了一个假设的完全球状星体附近的空间和时间是如何弯曲的。他证明,假如星体质量聚集到一个足够小的球状区域里,比如一个天体的质量与太阳相同,而半径只有3公里时,引力的强烈挤压会使那个天体的密度无限增大,然后产生灾难性的坍塌,使那里的时空变得无限弯曲,在这样的时空中,连光都不能逃逸!由于没有了光信号的联系,这个时空就与外面的时空分割成两个性质不同的区域,那个分割球面就是视界。

这就是我们今天耳熟能详的黑洞,但在那个年代,几乎没有人相信有这么奇怪的天体存在,甚至包括爱因斯坦本人和爱丁顿这样的相对论大师也明确表示反对这种怪物,爱因斯坦还说他可以证明没有任何星体可以达到密度无限大。就连黑洞这个名称也是一直到1967年才由美国物理学家惠勒命名。

历史当然不会因此而停止前进,时间进入20世纪30年代,美国天文学家钱德拉塞卡提出了著名的“钱德拉塞卡极限”,即:一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的 1.44倍以上时,将不可能变成白矮星,而会继续坍塌收缩,变成体积比白矮星更小、密度比白矮星更大的星体,即中子星。1939年,美国物理学家奥本海默进一步证明,一颗恒星当其氢核燃尽后的质量是太阳质量的3倍以上时,其自身引力的作用将能使光线都不能逃出这个星体的范围。

随着经验的积累,关于黑洞的理论变得成熟起来,人们从彻底拒绝这个怪物到渐渐相信它,到20世纪60年代,人们已普遍接受黑洞的概念,黑洞的奥秘被逐渐研究出来。

严格而言,黑洞并不是通常意义下的“星”, 而只是空间的一个区域。这是与我们日常宇宙空间互不连通的区域,黑洞视界将这两个区域隔绝开,在视界以外,可以由光信号在任意距离上相互联系,这就是我们所居住的正常宇宙;而在视界以内,光线并不能自由地从一个地方传播到另一个地方,而是都朝向中心集聚,事件之间的联系受到严格限制,这就是黑洞。

在黑洞的内部,物体向黑洞坠落的过程中,潮汐力越来越大,在中心区域,引力和起潮力都是无限大。因此,在黑洞中心,除了质量、电荷和角动量以外,物质其他特性全部丧失,原子、分子等等都将不复存在!在这种情形下,无法谈论黑洞的哪一部分物质,黑洞是一个统一体!

在黑洞中心,全部物质被极为紧密地挤压成为一个体积无限趋近于零的几何点,任何强大的力量都不可能把它们分开,这就是所谓的“奇点”状态。广义相对论无法对此进行考察,而必须代之以新的正确理论——量子理论。讽刺的是,广义相对论给我们导出了一个黑洞,却在黑洞的奇点之处失效,量子理论取而代之,而量子理论和相对论却根本互不相容!

关于相对论

当一物体速度超过光速,他的长度是伸长还是缩短?
自己看吧
相对论是关于时空和引力的基本理论,主要由爱因斯坦创立,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光速不变原理,相对性原理和等效原理。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。奠定了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条件下的物体。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。相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”,“四维时空”“弯曲空间”等全新的概念。

广义相对论
一个极其不可思议的世界

谷锐译 原文:Slaven
广义相对论的基本概念解释:
在开始阅读本短文并了解广义相对论的关键特点之前,我们必须假定一件事情:狭义相对论是正确的。这也就是说,广义相对论是基于狭义相对论的。如果后者被证明是错误的,整个理论的大厦都将垮塌。

为了理解广义相对论,我们必须明确质量在经典力学中是如何定义的。

质量的两种不同表述:

首先,让我们思考一下质量在日常生活中代表什么。“它是重量”?事实上,我们认为质量是某种可称量的东西,正如我们是这样度量它的:我们把需要测出其质量的物体放在一架天平上。我们这样做是利用了质量的什么性质呢?是地球和被测物体相互吸引的事实。这种质量被称作“引力质量”。我们称它为“引力的”是因为它决定了宇宙中所有星星和恒星的运行:地球和太阳间的引力质量驱使地球围绕后者作近乎圆形的环绕运动。

现在,试着在一个平面上推你的汽车。你不能否认你的汽车强烈地反抗着你要给它的加速度。这是因为你的汽车有一个非常大的质量。移动轻的物体要比移动重的物体轻松。质量也可以用另一种方式定义:“它反抗加速度”。这种质量被称作“惯性质量”。

因此我们得出这个结论:我们可以用两种方法度量质量。要么我们称它的重量(非常简单),要么我们测量它对加速度的抵抗(使用牛顿定律)。

人们做了许多实验以测量同一物体的惯性质量和引力质量。所有的实验结果都得出同一结论:惯性质量等于引力质量。

牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的。但他认为这一结果是一种简单的巧合。与此相反,爱因斯坦发现这种等同性中存在着一条取代牛顿理论的通道。

日常经验验证了这一等同性:两个物体(一轻一重)会以相同的速度“下落”。然而重的物体受到的地球引力比轻的大。那么为什么它不会“落”得更快呢?因为它对加速度的抵抗更强。结论是,引力场中物体的加速度与其质量无关。伽利略是第一个注意到此现象的人。重要的是你应该明白,引力场中所有的物体“以同一速度下落”是(经典力学中)惯性质量和引力质量等同的结果。

现在我们关注一下“下落”这个表述。物体“下落”是由于地球的引力质量产生了地球的引力场。两个物体在所有相同的引力场中的速度相同。不论是月亮的还是太阳的,它们以相同的比率被加速。这就是说它们的速度在每秒钟内的增量相同。(加速度是速度每秒的增加值)

引力质量和惯性质量的等同性是爱因斯坦论据中的第三假设

爱因斯坦一直在寻找“引力质量与惯性质量相等”的解释。为了这个目标,他作出了被称作“等同原理”的第三假设。它说明:如果一个惯性系相对于一个伽利略系被均匀地加速,那么我们就可以通过引入相对于它的一个均匀引力场而认为它(该惯性系)是静止的。

让我们来考查一个惯性系K’,它有一个相对于伽利略系的均匀加速运动。在K 和K’周围有许多物体。此物体相对于K是静止的。因此这些物体相对于K’有一个相同的加速运动。这个加速度对所有的物体都是相同的,并且与K’相对于K的加速度方向相反。我们说过,在一个引力场中所有物体的加速度的大小都是相同的,因此其效果等同于K’是静止的并且存在一个均匀的引力场。

因此如果我们确立等同原理,两个物体的质量相等只是它的一个简单推论。 这就是为什么(质量)等同是支持等同原理的一个重要论据。

通过假定K’静止且引力场存在,我们将K’理解为一个伽利略系,(这样我们就可以)在其中研究力学规律。由此爱因斯坦确立了他的第四个原理。

爱因斯坦第二假设

谷锐译 原文:Slaven
时间和空间

我们得出一个自相矛盾的结论。我们用来将速度从一个参照系转换到另一个参照系的“常识相对论”和爱因斯坦的“光在所有惯性系中速度相同”的假设相抵触。只有在两种情况下爱因斯坦的假设才是正确的:要么距离相对于两个惯性系不同,要么时间相对于两个惯性系不同。
实际上,两者都对。第一种效果被称作“长度收缩”,第二种效果被称作“时间膨胀”。

长度收缩:

长度收缩有时被称作洛伦茨(Lorentz)或洛伦茨-弗里茨格拉德(FritzGerald)收缩。在爱因斯坦之前,洛伦茨和弗里茨格拉德就求出了用来描述(长度)收缩的数学公式。但爱因斯坦意识到了它的重大意义并将其植入完整的相对论中。这个原理是:

参照系中运动物体的长度比其静止时的长度要短
下面用图形说明以便于理解:

上部图形是尺子在参照系中处于静止状态。一个静止物体在其参照系中的长度被称作他的“正确长度”。一个码尺的正确长度是一码。下部图中尺子在运动。用更长、更准确的话来讲:我们相对于某参照系,发现它(尺子)在运动。长度收缩原理指出在此参照系中运动的尺子要短一些。

这种收缩并非幻觉。当尺子从我们身边经过时,任何精确的试验都表明其长度比静止时要短。尺子并非看上去短了,它的确短了!然而,它只在其运动方向上收缩。下部图中尺子是水平运动的,因此它的水平方向变短。你可能已经注意到,两图中垂直方向的长度是一样的。

时间膨胀:

所谓的时间膨胀效应与长度收缩很相似,它是这样进行的:

某一参照系中的两个事件,它们发生在不同地点时的时间间隔
总比同样两个事件发生在相同地点的时间间隔长。

这更加难懂,我们仍然用图例加以说明:

图中两个闹钟都可以用于测量第一个闹钟从A点运动到B点所花费的时间。然而两个闹钟给出的结果并不相同。我们可以这样思考:我们所提到的两个事件分别是“闹钟离开A点”和“闹钟到达B点”。在我们的参照系中,这两个事件在不同的地点发生(A和B)。然而,让我们以上半图中闹钟自身的参照系观察这件事情。从这个角度看,上半图中的闹钟是静止的(所有的物体相对于其自身都是静止的),而刻有A和B点的线条从右向左移动。因此“离开A点”和“到达B点”着两件事情都发生在同一地点!(上半图中闹钟所测量的时间称为“正确时间”)按照前面提到的观点,下半图中闹钟所记录的时间将比上半图中闹钟从A到B所记录的时间更长。

此原理的一个较为简单但不太精确的陈述是:运动的钟比静止的钟走得更慢。最著名的关于时间膨胀的假说通常被成为双生子佯谬。假设有一对双胞胎哈瑞和玛丽,玛丽登上一艘快速飞离地球的飞船(为了使效果明显,飞船必须以接近光速运动),并且很快就返回来。我们可以将两个人的身体视为一架用年龄计算时间流逝的钟。因为玛丽运动得很快,因此她的“钟”比哈瑞的“钟”走得慢。结果是,当玛丽返回地球的时候,她将比哈瑞更年轻。年轻多少要看她以多快的速度走了多远。

时间膨胀并非是个疯狂的想法,它已经为实验所证实。最好的例子涉及到一种称 为"介子"的亚原子粒子。一个介子衰变需要多少时间已经被非常精确地测量过。无论怎样,已经观测到一个以接近光速运动的介子比一个静止或缓慢运动的介子的寿命要长。这就是相对论效应。从运动的介子自身来看,它并没有存在更长的时间。这是因为从它自身的角度看它是静止的;只有从相对于实验室的角度看该介子,我们才会发现其寿命被“延长”或“缩短”了。?

应该加上一句:已经有很多很多的实验证实了相对论的这个推论。(相对论的)其他推论我们以后才能加以证实。我的观点是,尽管我们把相对论称作一种“理论”,但不要误认为相对论有待于证实,它(实际上)是非常完备的。

爱因斯坦第一假设
全部狭义相对论主要基于爱因斯坦对宇宙本性的两个假设。
第一个可以这样陈述:
所有惯性参照系中的物理规律是相同的
此处唯一稍有些难懂的地方是所谓的“惯性参照系”。举几个例子就可以解释清楚:

假设你正在一架飞机上,飞机水平地以每小时几百英里的恒定速度飞行,没有任何颠簸。一个人从机舱那边走过来,说:“把你的那袋花生扔过来好吗?”你抓起花生袋,但突然停了下来,想道:“我正坐在一架以每小时几百英里速度飞行的飞机上,我该用多大的劲扔这袋花生,才能使它到达那个人手上呢?”
不,你根本不用考虑这个问题,你只需要用与你在机场时相同的动作(和力气)投掷就行。花生的运动同飞机停在地面时一样。
你看,如果飞机以恒定的速度沿直线飞行,控制物体运动的自然法则与飞机静止时是一样的。我们称飞机内部为一个惯性参照系。(“惯性”一词原指牛顿第一运动定律。惯性是每个物体所固有的当没有外力作用时保持静止或匀速直线运动的属性。惯性参照系是一系列此规律成立的参照系。
另一个例子。让我们考查大地本身。地球的周长约40,000公里。由于地球每24小时自转一周,地球赤道上的一点实际上正以每小时1600公里的速度向东移动。然而我敢打赌说Steve Young在向Jerry Rice(二人都是橄榄球运动员。译者注)触地传球的时候,从未对此担心过。这是因为大地在作近似的匀速直线运动,地球表面几乎就是一个惯性参照系。因此它的运动对其他物体的影响很小,所有物体的运动都表现得如同地球处于静止状态一样。
实际上,除非我们意识到地球在转,否则有些现象会是十分费解的。(即,地球不是在沿直线运动,而是绕地轴作一个大的圆周运动)
例如:天气(变化)的许多方面都显得完全违反物理规律,除非我们对此(地球在转)加以考虑。另一个例子。远程炮弹并非象他们在惯性系中那样沿直线运动,而是略向右(在北半球)或向左(在南半球)偏。(室外运动的高尔夫球手们,这可不能用于解释你们的擦边球)对于大多数研究目的而言,我们可以将地球视为惯性参照系。但偶尔,它的非惯性表征将非常严重(我想把话说得严密一些)。
这里有一个最低限度:爱因斯坦的第一假设使此类系中所有的物理规律都保持不变。运动的飞机和地球表面的例子只是用以向你解释这是一个平日里人们想都不用想就能作出的合理假设。谁说爱因斯坦是天才?

爱因斯坦第二假设
19世纪中页人们对电和磁的理解有了一个革命性的飞跃,其中以詹姆斯.麦克斯韦(James Maxwell)的成就为代表。电和磁两种现象曾被认为毫不相关,直到奥斯特(Oersted)和安培(Ampere)证明电能产生磁;法拉弟(Faraday)和亨利(Henry)证明磁能产生电。现在我们知道电和磁的关系是如此紧密,以致于当物理学家对自然力进行列表时,常常将电和磁视为一件事。
麦克斯韦的成就在于将当时所有已知的电磁知识集中于四个方程中:

(如果你没有上过理解这些方程所必需的三到四个学期的微积分课程,那么就坐下来看它们几分钟,欣赏一下其中的美吧)
麦克斯韦方程对于我们的重要意义在于,它除了将所有人们已知的电磁知识加以描述以外,还揭示了一些人们不知道的事情。例如:构成这些方程的电磁场可以以振动波的形式在空间传播。当麦克斯韦计算了这些波的速度后,他发现它们都等于光速。这并非巧合,麦克斯韦(方程)揭示出光是一种电磁波。
我们应记住的一个重要的事情是:光速直接从描述所有电磁场的麦克斯韦方程推导而来。
现在我们回到爱因斯坦。
爱因斯坦的第一个假设是所有惯性参照系中的物理规律相同。他的第二假设是简单地将此原则推广到电和磁的规律中。这就是,如果麦克斯韦假设是自然界的一种规律,那么它(和它的推论)都必须在所有惯性系中成立。这些推论中的一个就是爱因斯坦的第二假设:光在所有惯性系中速度相同
爱因斯坦的第一假设看上去非常合理,他的第二假设延续了第一假设的合理性。但为什么它看上去并不合理呢?
火车上的试验
为了说明爱因斯坦第二假的合理性,让我们来看一下下面这副火车上的图画。 火车以每秒100,000,000米/秒的速度运行,Dave站在车上,Nolan站在铁路旁的地面上。Dave用手中的电筒“发射”光子。

光子相对于Dave以每秒300,000,000米/秒的速度运行,Dave以100,000,000米/秒的速度相对于Nolan运动。因此我们得出光子相对于Nolan的速度为400,000,000米/秒。
问题出现了:这与爱因斯坦的第二假设不符!爱因斯坦说光相对于Nolan参照系的速度必需和Dave参照系中的光速完全相同,即300,000,000米/秒。那么我们的“常识感觉”和爱因斯坦的假设那一个错了呢?

好,许多科学家的试验(结果)支持了爱因斯坦的假设,因此我们也假定爱因斯坦是对的,并帮大家找出常识相对论的错误之处。
记得吗?将速度相加的决定来得十分简单。一秒钟后,光子已移动到Dave前300,000,000米处,而Dave已经移动到Nolan前100,000,000米处。其间的距离不是400,000,000米只有两种可能:
1、 相对于Dave的300,000,000米距离对于Nolan来说并非也是300,000,000米
2、 对Dave而言的一秒钟和对Nolan而言的一秒钟不同
尽管听起来很奇怪,但两者实际上都是正确的。

爱因斯坦第二假设
时间和空间
我们得出一个自相矛盾的结论。我们用来将速度从一个参照系转换到另一个参照系的“常识相对论”和爱因斯坦的“光在所有惯性系中速度相同”的假设相抵触。只有在两种情况下爱因斯坦的假设才是正确的:要么距离相对于两个惯性系不同,要么时间相对于两个惯性系不同。
实际上,两者都对。第一种效果被称作“长度收缩”,第二种效果被称作“时间膨胀”。

长度收缩:
长度收缩有时被称作洛伦茨(Lorentz)或洛伦茨-弗里茨格拉德(FritzGerald)收缩。在爱因斯坦之前,洛伦茨和弗里茨格拉德就求出了用来描述(长度)收缩的数学公式。但爱因斯坦意识到了它的重大意义并将其植入完整的相对论中。这个原理是: 参照系中运动物体的长度比其静止时的长度要短下面用图形说明以便于理解:
上部图形是尺子在参照系中处于静止状态。一个静止物体在其参照系中的长度被称作他的“正确长度”。一个码尺的正确长度是一码。下部图中尺子在运动。用更长、更准确的话来讲:我们相对于某参照系,发现它(尺子)在运动。长度收缩原理指出在此参照系中运动的尺子要短一些。
这种收缩并非幻觉。当尺子从我们身边经过时,任何精确的试验都表明其长度比静止时要短。尺子并非看上去短了,它的确短了!然而,它只在其运动方向上收缩。下部图中尺子是水平运动的,因此它的水平方向变短。你可能已经注意到,两图中垂直方向的长度是一样的。

时间膨胀:
所谓的时间膨胀效应与长度收缩很相似,它是这样进行的:
某一参照系中的两个事件,它们发生在不同地点时的时间间隔
总比同样两个事件发生在相同地点的时间间隔长。
这更加难懂,我们仍然用图例加以说明:

图中两个闹钟都可以用于测量第一个闹钟从A点运动到B点所花费的时间。然而两个闹钟给出的结果并不相同。我们可以这样思考:我们所提到的两个事件分别是“闹钟离开A点”和“闹钟到达B点”。在我们的参照系中,这两个事件在不同的地点发生(A和B)。然而,让我们以上半图中闹钟自身的参照系观察这件事情。从这个角度看,上半图中的闹钟是静止的(所有的物体相对于其自身都是静止的),而刻有A和B点的线条从右向左移动。因此“离开A点”和“到达B点”着两件事情都发生在同一地点!(上半图中闹钟所测量的时间称为“正确时间”)按照前面提到的观点,下半图中闹钟所记录的时间将比上半图中闹钟从A到B所记录的时间更长。
此原理的一个较为简单但不太精确的陈述是:运动的钟比静止的钟走得更慢。最著名的关于时间膨胀的假说通常被成为双生子佯谬。假设有一对双胞胎哈瑞和玛丽,玛丽登上一艘快速飞离地球的飞船(为了使效果明显,飞船必须以接近光速运动),并且很快就返回来。我们可以将两个人的身体视为一架用年龄计算时间流逝的钟。因为玛丽运动得很快,因此她的“钟”比哈瑞的“钟”走得慢。结果是,当玛丽返回地球的时候,她将比哈瑞更年轻。年轻多少要看她以多快的速度走了多远。
时间膨胀并非是个疯狂的想法,它已经为实验所证实。最好的例子涉及到一种称为介子的亚原子粒子。一个介子衰变需要多少时间已经被非常精确地测量过。无论怎样,已经观测到一个以接近光速运动的介子比一个静止或缓慢运动的介子的寿命要长。这就是相对论效应。从运动的介子自身来看,它并没有存在更长的时间。这是因为从它自身的角度看它是静止的;只有从相对于实验室的角度看该介子,我们才会发现其寿命被“延长”或“缩短”了。?
应该加上一句:已经有很多很多的实验证实了相对论的这个推论。(相对论的)其他推论我们以后才能加以证实。我的观点是,尽管我们把相对论称作一种“理论”,但不要误认为相对论有待于证实,它(实际上)是非常完备的。

伽玛参数(γ)
现在你可能会奇怪:为什么你在日常生活中从未注意到过长度收缩和时间膨胀效应?例如根据刚才我所说的,如果你驱车从俄荷马城到勘萨斯城再返回,那么当你到家的时候,你应该重新对表。因为当你驾车的时候,你的表应该比在你家里处于静止状态的表走得慢。如果到家的时候你的表现时是3点正,那么你家里的表都应该显示一个晚一点的时间。为什么你从未发现过这种情况呢?
答案是:这种效应显著与否依赖于你运动速度的快慢。而你运动得非常慢(你可能认为你的车开得很快,但这对于相对论来说,是极慢的)。长度收缩和时间膨胀的效果只有当你以接近光速运动的时候才能注意到。而光速约合186,300英里/秒(或3亿米/秒)。在数学上,相对论效应通常用一个系数加以描述,物理学家通常用希腊字母γ加以表示。这个系数依赖于物体运动的速度。例如,如果一根米尺(正确长度为1米)快速地从我们面前飞过,则它相对于我们的参照系的长度是1/γ米。如果一个钟从A点运动到B点要3秒钟,那么相对于我们的握障担�飧龉�坛中?/γ秒。
为了理解现实中为什么我们没有注意到相对论效应,让我们看一下(关于)γ的公式: 这里的关键是分母中的v2/c2。v是我们所讨论的物体的运动速度,c是光速。因为任何正常尺寸物体的速度远小于光速,所以v/c非常小;当我们将其平方后(所得的结果)就更小了。因此对于所有实际生活中通常尺寸的物体而言,γ的值就是1。所以对于普通的速度,我们通过乘除运算后得到的长度和时间没有变化。为了说明此事,下面有一个对应于不同速度的γ值表。(其中)最后一列是米尺在此速度运动时的长度(即1/γ米)。
第一列中c仍旧表示光速。.9c等于光速的十分之九。为了便于参照举个例子:“土星五号”火箭的飞行速度大约是25,000英里/小时。你看,对于任何合理的速度,γ几乎就是1。因此长度和时间几乎没有变化。在生活中,相对论效应只是发生在科幻小说(其中的飞船远比“土星五号”快得多)和微观物理学中(电子和质子常被加速到非常接近光速的速度)。在从芝加哥飞往丹佛的路上,这种效应是不会显现出来的。
宇宙执法者的历险

宇宙执法者AD在A行星上被邪恶的EN博士所擒。EN博士给AD喝了一杯13小时后发作的毒酒,并告诉AD解药在距此40,000,000,000公里远的B行星上。AD得知此情况后立即乘上其0.95倍光速的星际飞船飞往B星,那么:

AD能即使到达B星并取得解药吗?
我们做如下的计算:
A、B两行星之间的距离为40,000,000,000公里。飞船的速度是1,025,000,000公里/小时。把这两个数相除,我们得到从A行星到B行星需要39小时。
那么AD必死无疑。
等一下!这只对于站在A行星上的人而言。由于毒药在AD的体内是要经过新陈代谢(才能发作)的,我们必须从AD的参照系出发研究这一问题。我们可以用两种方法做这件事情,它们将得到相同的结论。
1. 设想一个大尺子从A行星一致延伸到B行星。这个尺子有40,000,000,000公里长。然而,从AD的角度而言,这个尺子以接近光速飞过他身边。我们已经知道这样的物体会发生长度收缩现象。在AD的参照系中,从A行星到B行星的距离以参数γ在收缩。在95%的光速下,γ的值大约等于3.2。因此AD认为这段路程只有12,500,000,000公里远(400亿除以3.2)。我们用此距离除以AD的速度,得到12.2小时,AD将提前将近1小时到达B行星!
2. A行星上的观察者会发现AD到达B需要花费大约39小时时间。然而,这是一个膨胀后的时间。我们知道AD的“钟”以参数γ(3.2)变慢。为了计算AD参照系中的时间,我们再用39小时除以3.2,得到12.2小时。(也)给AD剩下了大约1小时(这很好,因为这给了AD20分钟时间离开飞船,另外20分钟去寻找解药)。

AD将生还并继续与邪恶战斗。

如果对上文中我的描述加以仔细研究,你会发现许多似是而非,非常微妙的东西。当你深入地思考它的时候,一般你最终将提出这样一个问题:“等一下,在AD的参照系中,EN的钟表走得更慢了,因此在AD的参照系中,宇宙旅行应花费更长的时间,而不是更短...
如果你对这个问题感兴趣或者觉得困惑,你可能应该看一下后文《宇宙执法者的历险——微妙的时间》。或者你可以相信我所说的话“如果你把所有的因果都弄清楚,那么所有(这些)都是正确的”并跳到《质量和能量》一章。

宇宙执法者的历险——微妙的时间
好,这就是我们刚刚看到的。我们已经发现在AD相对于EN参照系旅行中的时间膨胀。在EN参照系中,AD是运动的,因此AD的钟走得慢。结果是在此次飞行中EN的钟走了39小时,而AD的钟走了12小时。这常常使人们产生这样的问题:

相对于AD的系,EN是运动的,因此EN的钟应该走得慢。因此当AD到达B行星的时候,他的钟走的时间比EN的长。谁对?长还是短?
好问题。当你问这个问题的时候,我知道你已经开始进入情况了。在开始解释之前,我必须声明在前文所叙述的事情都是对的。在我所描述的情况下,AD可以及时拿到解药。现在让我们来解释这个徉谬。这与我尚未提及的“同时性”有关。相对论的一个推论是:同一参照系中的两个同时(但不同地点)发生的事件相对于另一个参照系不同时发生。
让我们来研究一些同时发生的事件。
首先,让我们假设EN和AD在AD离开A行星时同时按下秒表。按照EN的表,这趟B行星之旅将花费39小时。换言之,EN的表在AD到达B行星时读数为39小时。因为时间膨胀,AD的表与此同时读数为12.2小时。即,以下三件事情是同时发生的:
1、 EN的表读数为39
2、 AD到达B行星
3、 AD的表读数为12.2

这些事件在EN的参照系中是同时发生的。
现在在AD的参照系中,上述三个事件不可能同时发生。更进一步,因为我们知道EN的表一定以参数γ减慢(此处γ大约为3.2),我们可以计算出当AD的表读数为12.2小时的时候,EN的表的读数为12.2/3.2=3.8小时。因此在AD的系中,这些事情是同时发生的:
1、 AD到达B行星
2、 AD的钟的读数为1.2
3、 EN的钟的读数为3.2

前两项在两个系中都是相同的,因为它们在同一地点——B行星发生。两个同一地点发生的事件要么同时发生,要么不同时发生,在这里,参照系不起作用。
从另一个角度看待此问题可能会对你有所帮助。你所感兴趣的事件是从AD离开A行星到AD到达B行星。一个重要的提示:AD在两个事件中都存在。也就是说,在AD的参照系中,这两个事件在同一地点发生。由此,AD参照系的事件被称作“正确时间”,所有其他系中的时间都将比此系中的更长(参见时间膨胀原理)。不管怎样,如果你对AD历险中的时间膨胀感到迷惑,希望这可以使之澄清一些。如果你原本不糊涂,那么希望你现在也不。
质量和能量
除了长度收缩和时间膨胀以外,相对论还有许多推论。其中最著名、最重要的是关于能量的。
能量有许多状态。任何运动的物体都因其自身的运动而具有物理学家所谓的“动能”。动能的大小和物体的运动速度及质量有关。(“质量”非常类似于“重量”,但并不完全相同)放在架子上的物体具有“引力势能”。因为如果架子被移掉,它就(由于引力)具有获得动能的可能。
热也是一种形式的能,其最终可以归结于组成物质的原子和分子的动能,此外还有许多其他形式的能。
把上述现象都和能量联系起来的原因,即它们之间的联系,是能量守恒定律。这个定律是说,如果我们把宇宙中全部的能量都加起来(我们可以用象焦耳或千瓦时这样的单位定量地描述能量),其总量永不改变。此即,能量从不会产生或消灭,尽管它们可以从一种形态转化为另一种形态。例如,汽车是一种可以将(在引擎的汽缸中的)热能转化为(汽车运动的)动能的设备;灯泡(可以)将电能转化为光能(这又是两种能的形式)。
爱因斯坦在他的相对论中发现了能量的另一种形式,有时被称作“静能量”。我已经指出一个运动物体由于其运动而具有了能量。但爱因斯坦发现,同样一个物体在其静止不动的时候同样具有能量。物体内静能量的数量依赖于其质量,并以公式E=mc2给出。

什么是相对论?

本文标题: 有没有哪些现象是必须用相对论计算才能符合实验结果的
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    对于中国沿用外国的公元纪年,你们有什么想法你的平庸不是罪,但你的孩子会受罪。这句话有没有道理
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