相对论说了什么?
广义相对论基本概念的解释;
广义相对论是爱因斯坦的引力场相对论,是在他的狭义相对论之后1913年提出的。这个理论和牛顿的引力理论完全不同。它把引力场归结为物体周围时空的弯曲,把物体在引力作用下的运动归结为物体在弯曲时空中沿短程线的自由运动。所以广义相对论也叫时空几何动力学,就是把引力归结于时空的几何特性。
如何理解广义相对论的时空曲率?这里我们借用一个模型类比来说明。如果有两个质量很大的钢球,按照牛顿的观点,它们会因为万有引力的吸引而相互靠近。而爱因斯坦的广义相对论则不认为这两个钢球之间存在引力。它们彼此靠近是因为当没有钢球时,周围的时空就像一张扁平的网。现在两个钢珠把这个时空网弄弯了,所以两个钢珠一起沿着弯曲的网滚。这相当于一个物体由于时空的弯曲而沿着一条短线运动。所以爱因斯坦的广义相对论是一个没有“引力”的引力理论。
此外,该理论基于两个基本假设:等效原理和广义协变原理。等效原理是基于物体的惯性质量与引力质量相等这一基本事实,认为引力与加速度系中的惯性力等效,两者在原理上是不可区分的。广义协变原理可以看作是等价原理的一种数学表达,即所有反映物理规律的微分方程在所有参考系中都应保持相同的形式,也可以说所有参考系都是相等的,从而打破了惯性系在狭义相对论中的特殊地位,因参考系选择的任意性而得名广义相对论。
我们知道,牛顿万有引力定律认为,所有有质量的物体都相互吸引,这是一种远距离的静态作用。
在广义相对论中,物质产生的引力场的规律是用爱因斯坦的场方程表示的,它所反映的引力作用是动态的,以光速传播。
广义相对论是比牛顿引力理论更广义的理论,牛顿引力理论只是广义相对论的弱场近似。所谓弱场,是指引力场中物体的引力能量比内禀能量小得多,两者之差表现在力场中。这时,必须应用广义相对论来正确处理引力问题。
1915广义相对论建立后,爱因斯坦提出可以从三个方面来检验其正确性,即所谓的三个实验。这是太阳附近光线的偏转,水星近日点的进动和引力场中谱线的频移,很快被当时的实验观测所证实。后来有人设计了雷达回波时延实验,很快就以更高的精度证实了广义相对论。20世纪60年代天文学的一系列新发现:3K微波背景辐射、脉冲星、类星体、X射线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。特别是广义相对论在天体物理和宇宙学研究中的应用,已经成为物理学的前沿热点。
爱因斯坦一直认为广义相对论是他一生中最重要的科学成就。他说:“如果我没有发现狭义相对论,别人也会发现,问题就成熟了。但我认为广义相对论是不同的。”的确,广义相对论包含了比狭义相对论更深刻的思想,这个全新的引力理论仍然是最美的一个。没有大胆的创新精神和百折不挠的毅力,敏锐的理论直觉和扎实的数学基础,就不可能建立广义相对论。伟大的科学家汤姆逊曾称广义相对论是人类历史上最伟大的成就之一。
狭义相对论是
狭义相对论是基于四维时空观的理论,所以要理解相对论的内容,首先要对它的时空观有个大概的了解。数学中有各种多维空间,但到目前为止,我们所知道的物理世界只有四维,也就是三维空间加上一维时间。现代微观物理学中提到的高维空间是另外一个意思,只有数学意义,这里就不讨论了。
四维时空是构成现实世界的最低维度,而我们的世界恰好是四维的。至于高维真实空间,至少我们还无法感知。当一把尺子在三维空间(不包括时间)旋转时,其长度不变,但旋转时,其所有坐标值都发生变化,坐标是相关的。四维时空的意义在于,时间是第四维坐标,与空间坐标相关,也就是说,时空是一个统一的不可分割的整体,它们是一种“一变一变”的关系。
四维时空不仅限于此。根据质能关系,质能其实是一回事。质量(或能量)不是独立的,而是与运动状态有关。比如速度越大,质量越大。在四维时空中,质量(或能量)实际上是四维动量的第四个分量,动量是描述物质运动的量,所以质量与运动状态有关是很自然的。在四维时空中,动量和能量是统一的,称为能量动量的四个矢量。此外,四维速度、四维加速度、四维力和四维形式的电磁场方程都是在四维时空中定义的值得一提的是,四维形式的电磁场方程更加完善,它完全统一了电和磁,电场和磁场用一个统一的电磁场张量来描述。四维时空的物理规律比三维规律完善得多,这说明我们的世界确实是四维的。可以说,至少比牛顿力学完善多了。至少因为它的完美,我们不能怀疑。
在相对论中,时间和空间构成了不可分割的整体——四维时空,能量和动量也构成了不可分割的整体——四维动量。这说明自然界中一些看似不相关的量之间可能存在着很深的联系。以后我们讲广义相对论的时候,也会看到时空和能量动量四个矢量之间也有着深刻的联系。
物质在相互作用中永远运动,没有不运动的物质,也没有不运动的物质。因为物质是在相互作用中运动的,所以需要在物质的关系中描述运动,不可能孤立地描述运动。换句话说,运动必须有一个参照物,这个参照物就是参照系。
伽利略曾经指出,一艘运动的船的运动与一艘静止的船的运动是不可分的。也就是说,当你在一个封闭的船舱里与外界完全隔绝时,即使你有最发达的头脑,最先进的仪器,你也无法感知你的船是在匀速运动还是静止不动。没有办法感知速度,因为没有参照物。比如我们不知道我们整个宇宙的整个运动状态,因为宇宙是封闭的。爱因斯坦将其引为狭义相对论的第一基本原理:狭义相对论原理。其内容是:惯性系完全等价,不可区分。
著名的迈克尔逊-莫雷实验完全否定了光的以太理论,得出光与参照系无关的结论。换句话说,无论你站在地上还是在飞驰的火车上,测得的光速都是一样的。这是狭义相对论的第二个基本原理,光速不变原理。
从这两个基本原理可以直接推导出相对论的坐标变换公式、速度变换公式等所有狭义相对论内容。比如速度变化与传统规律相反,但在实践中被证明是正确的。比如火车的速度是10m/s,车上一个人的速度也是10m/s,地面上的人看到车上人的速度不是20m/s,而是(20-10 (-65438)。一般情况下,这种相对论效应可以完全忽略,但在接近光速时,比如火车速度为零时,这种效应明显增大。99倍光速,人的速度也是零。99倍光速,那么地面观察者的结论不是1。98倍光速,但是0。999949倍光速。车上的人看到光从后面过来也没有减速,这对于他来说也是光速了。所以从这个意义上来说,光速是不可超越的,因为无论在哪个参考系中,光速都是恒定的。速度变换在粒子物理中已经被无数实验证明,无可挑剔。正是因为光的这种独特性质,才被选为四维时空的唯一尺度。