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演讲稿
相对论是用来研究我们生活的空间的理论,由爱因斯坦第一提出,相对论中的相对指的是相对性原理,就是不管你运动静止,你所看到的情况需要是一样的,再加一个原理即光速不变原理完全就能够确定狭义相对论(狭义相对论适用于你匀速运动时),针对广义相对论也是相对论中最耀眼一些,所用到的数学知识将会很复杂(估计上到物理博士就差很少了),虽然复杂但是,它所妙述的世界是很奇妙的,有兴趣的可以看看《时间简史》。
相对论是一种哲学思想,觉得世界(涵盖宇宙空间)的一切都是相对的,没有绝对的。
例如高对比矮说才有意义,没有矮就没有高的概念。
长与短是互依互存的,没有短也不存在长。没有大就没有小,没有快就无这里说的慢。一切事物失去了对比就失去了意义。正这里说的尺带来一定短寸带来一定长。独自一个长度数值是没有长短概念的。
在物理学中,相对论物理学是区别于经典物理学的绝对概念的当代物理的一大支柱。是经典物理学向大空间高速度领域的延伸。
经典物理学虽然也承认相对性,但是,依然不会排斥绝对概念,例如速度,经典物理觉得宇宙中一定在在一个绝对静止的物质(以太),还相对以太运动的速度就是绝对速度。而相对论物理学则觉得宇宙中不存在绝对静止的物质,一切运动还有一切运动规律都是相对的。
相对论物理学的基础是一系列的物理实验结论:
1、一切物理规律在任何惯性系上都是等效的。(伽利略变换)
2、在一个封闭的空间内,没办法测量系统自己的运动速度。(没有其他参照系就不存在速度的概念)
3、光速在任何惯性系上的速度一样。(光速不变)
光速不变是大家对相对论出现质疑的重要原因之一,因为光速不变与大家习惯的速度叠加原理相悖。然而,这正是相对性原理在相对论物理学中最最重要,要优先集中精力的反映。
故此,提到相对论就不可以不重点解释一下光速不变原理。
因为光速不变与大家的平日经验相差太远,故此,超级难让人接受。甚至不少人在描述相对论情况时还会站在绝对速度的立场上。例如“当一个物体以很高的速度运动时,时间会变慢”。
(1)、没有参照物就不存在速度,很高的速度从哪里来呢?
(2)、假设有参照系,既然如此那,是参照系在运动还是那个物体在运动?谁时间变慢?
(3)、参照系可以随意指定,随便换个参照系,它时间就可以跟着变吗?既然如此那,时间该如何变?
例如我们以太阳为参照系,地球有一个时间、以银河中心为参照系,地球又有一个时间,那么,我们用哪个时间?其实我们可以选择很多的参照系,那地球时间不是就没意义了?
明显上面的说法本身就站不住脚。
因为没有绝对速度,设想一下:
假设宇宙中没有任何其他天体,唯有一个质点。这个质点如何确定自己是在运动还是静止?如何确定自己的运动速度?在经典物理学中大家会想到以太,但是,相对论物理学中觉得没有其他参照系的情况下速度没意义。而其实在这个质点上测量光速也是各向同速度。
假设宇宙中唯有两个天体,没有任何其他天体了,这两个天体相互可能会有相对运动,但是没办法区别这两个天体是相向运动还是同向运动,或者是同时沿某个夹角向其他方向运动。这两个天体唯独可来最终确定的是它们当中的距离是在远离还是接近,还有远离或接近的速度。
每个天体完全可以无视另一个天体的存在(觉得自己是静止的,或任意的速度在宇宙中漂浮),在本系统上测量到的光速也是各向同速的。因为自己的速度不存在肯定的值(可以随意指定),故此,光速也不存在与自己的运动速度叠加的任何依据。
其实就是常说的说:在任何惯性系上看到的光速都是c,恒定不变。相对的说就是在光看来,全部的惯性系都是“静止”的。其实,麦-莫实验也验证了光速不与任何相对速度叠加。
因为这个原因,光速不变就成了划分相对论物理学和经典物理学(运算法则)的一个分水岭。而相对论的根本是相对论哲学思想在物理学中的详细反映。
狭义相对论:
狭义相对论是根据光速不变原理,对两个相对匀速直线运动的系统当中时间与空间测量的换算关系的理论。可以当成是相对论的微分形式。
狭义相对论中不涉及力与系统的作用问题,只是相对速度对相互观测的影响还有换算关系。
从前面讨论的主要内容可以看得出来,光速不变是光的特点之一,就像光以直线传播一样。
我们举个很常见的例子,说明光对观测的影响。
因为只是直线传播,因为这个原因出现了“近大远小”的情况,即我们看到越远的东西就可以越小。假设我们的眼睛和大脑自动计算的功能让我们感觉近大远小不明显,我们可以借助相机来拍照,远的物体确实变小了。假设要清楚远处的物体的真实大小和尺寸,我们一定要用测量(拍照)到的尺寸乘上一个大于1的因子才可以还原真实尺寸。
同样的,因为光速不变,当相对速度很高时,从一个系统上看另一个系统上时间会“变慢”,这里实际上是一个习惯说法,实际上不是“变慢”而是变快。例如我们看(测量)到时间是t,还要乘上一个小于1的因子来还原真实时间t'。t'=t√(1-V?C?,只要速度不是0,√(1-V?C?就一定小于1,因为这个原因表示实质上在那个系统上看到时间比我们观测到的它时间要慢,说明我们看到时间要快于那个系统时间。
但是,我们平日间还是习惯说,相对我们高速运动的物体上时间会变慢,这只是习惯的说法,依然不会影响我们正确的使用变换公式来分析的时候间关系。因为本来速度和时间就是相对的,我们觉得我们时间没变,那说它时间变慢了也不算什么错误。
广义相对论:
广义相对论把相对论理论引入到了力学领域,力对速度的影响(改变运动状态)也具有相对性。而针对一切系统(不只是惯性系),一切物理规律仍然正确,故此,就有了F=ma在相对论范围内的正确性。
F=ma;即a=F/m :左边是加速度,右边是什么呢?单位质量所受的引力,那就是引力场的引力强度。就是说加速度与引力是等价的。
既然如此那,光线是直线传播的,在强大的引力场中出现了弯曲,说明空间出现了弯曲。在光看来,它走的仍然是直线。
质能公式:
F=ma;两边同时乘上一个距离就是能量(或功)。F×距离=m×V? 即能量=质量乘速度的平方,可是这里的速度是什么?明显不可能是任意指定 的参照系下测量到的任意速度,而是质量体相对光的速度,那就是C。
因为这个原因,质能公式的表达式就是:E=mc?/p
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