狭义相对论与广义相对论的核心思想有什么不同?为什么要分开提出来?

一枚游戏科幻迷

答:简单地,我们可以理解成:狭义相对论处理惯性参考系,广义相对论还可以处理非惯性参考系!


也就是说,狭义相对论是广义相对论的特殊情况;狭义相对论只能处理惯性系,广义相对论可以处理所有参考系,我们可以从两者的基本原理(假设)看出来。



狭义相对论基本原理:

(1)狭义相对性原理:所有惯性系中,物理过程和规律的相同;

(2)光速不变原理:所有惯性系中,真空中的光速具有相同的速度,与参考系无关;

广义相对论原理:

(1)广义相对性原理:在任何参考系中,物理过程和规律都是相同的;

(2)等效原理:引力质量等于惯性质量;

从两者的基本原理,就可以看出来,前者针对惯性系,后者适用所有参考系!而且爱因斯坦利用等效原理,可以把引力场处理成非惯性系,顺带就把引力统一到了广义相对论中!





艾伯史密斯

狭义相对论的核心思想,主要是拔刺

具体来说,是拔掉了牛顿同志扎在我们思想中的两根刺:

第一根,时间和空间是相互独立、没有联系的;第二根,时间和空间是恒常的客观存在,而且你我他,人人平等。也许您认为,这个,难道不是宇宙的常识吗?没错,从孩提时代的切身体验,到上学后的耳闻目睹,绝对时空观,这两根刺,确实扎的太久、太深了。

狭义相对论的逻辑起点,真空中光速恒定

1865年,麦克斯韦提出,电磁波的传播速度只取决于传播介质。

1890年,赫兹提出的,电磁波的传播速度与波源的速度无关。

综上所述就是——

让我们拿掉介质,就看真空中,则:无论任何参照系,光速恒定,OVER!

你也许会问,什么叫作参照系。你只要知道,不同的参照系,波源的相对速度不同。无论任何参照系,也就是说无论波源的相对速度如何,只要是真空中,则光速恒定,OVER!

狭义相对论的逻辑核心,相对论因子

简单来说,就是这么一个公式。这个公式是怎么来的呢?我们暂不讨论。有兴趣也可以参看下图。这个公式有什么实际意义呢?

举个例子吧,乘坐阿姆斯特朗当年的登月飞船,秒速10500米(注意是秒速啊,不是时速!)。相对论因子γ≈1.000613063。让您一气飞上100年(注意是100年啊,不是1年!)

祝贺你,代入公式、经过计算,你比地面上的我们年轻了22.4天!!!换句话说,时间对你我来说,并不平等,速度越快的人、时间过得越慢,累计100年后,你比我慢了足足22.4天!这就是所谓的“时间膨胀”!

时空是一体的!所以:

所以相对于地面上的静止物体而言,运动物体,也就是阿姆斯特朗的登月飞船,在运动方向上的长度是在缩短!当然喽,我们所见的“运动”,其速度相对于光速,实在慢得可怜!比如时速300千米/小时的动车组,长度收缩幅度,还不到针尖的百万分之一,所以我们人类(自然也包括大咖牛顿),必然也是觉察不到的。这就是所谓的“空间收缩”!

狭义相对论的问世

至此,我们已经介绍了四个结论,甲:光速恒定、乙:相对论因子、丙:时间膨胀、丁:空间收缩。公元1905年,由爱因斯坦同志将以上结论及其推演过程,写成了《论运动物体的电动力学》,发表在《物理学年鉴》上。

至此,狭义相对论就横空出世了!

按照外文原义,狭义相对论其实应翻译作“特殊相对论”,而广义相对论应该是“普适相对论”。

区别在哪里呢?换句话说,狭义相对论“特殊”在什么地方呢?

其实特殊在,狭义相对论里面所谓的物体的运动,是一种极其特殊的运动——匀速直线运动!

尺度放大到宇宙空间,这是永远不可能实现的——即使能够保证“匀速”,我们也做不到“直线”(换句话说,即便能够保证速度的大小恒定,我们也做不到速度的方向恒定)!

为什么?因为,毛主席不是讲吗,“坐地日行八万里、巡天遥看一千河”,至少地球母亲是在绕着太阳公公走椭圆,我们地球上的物体,又怎么可能独善其身而走直线呢(那样的话,早就从大地母亲身上射出去了)?

按照牛顿第一定律,匀速直线运动和静止态一样,是不考虑加速度的运动,狭义相对论之“特殊”,就在于此,它只考虑到时间、空间、速度之间的关系,并延伸出若干推论。但是,万事万物皆有加速度,这点却被忽略了。

广义相对论之“普适”,就是在此基础上,增加考虑了加速度。

再进一步说,爱因斯坦指出,加速度、就是引力,引力、就是加速度,他们的物理性质完全等价!!所以,广义相对论就是一个同时考虑了时间、空间、速度、引力的理论体系。

我们都有这样的生活体验,坐电梯加速上升时,瞬时会产生超重感,假如蒙上眼睛,你分辨不出,究竟是电梯给了一个加速度,还是地球引力突然增加了;同理,坐电梯加速下降时,瞬时会产生失重感,假如蒙上眼睛,你分辨不出,究竟是电梯给了一个加速度,还是地球引力突然减小了。

好了,不烧脑了,总之,我们得记住这个结论:

加速度——引力,在物理上,完全等价!这是广义相对论的逻辑基础

万有引力,其实并不是一种“力”……这是广义相对论要说明的重大问题

万有引力的本质,根本就不是一种“力”,而是由质量所造成的一种——“时空扭曲”!!

由此,即便是没有质量的光,也是可以受“万有引力”的影响,从而产生弯曲的。是质量,造成了时空扭曲。

质量使时空扭曲,怎么讲呢?勉勉强强说吧,就像一只足球放在一张铺开的绳网上,那么,绳网上就会形成一个凹陷,这个凹陷就好比时空被扭曲了。质量越大,则凹陷就会越深(比如足球换成台球、铅球,大家自己想象),则时空也就越扭曲。

假如,我们向这个凹陷弹出一个玻璃球,后果会怎样呢?可能掉进去滚不出来,也可能掉进去还能滚出来,这个可能性与什么有关呢?速度?对的——弹出的速度!

慢的话,就会沉入这个凹陷,也可能会挣扎着转几圈,最终和足球碰在一起了;快的话,就会在这个凹陷里沉进去、然后再滚出来,扬长而去。当然了,从理论上来说,还有一种可能,速度不快不慢、刚刚好,那就会在凹陷内壁的某个位置上,保持持续滚动,一圈又一圈,既出不来又沉不下。

假如足球是地球,那么弹的慢,最后坠毁的,就是陨石;弹得快,逃逸掉的,就好比一道流星划过天际,没有被地球母亲捕捉到;弹的不快不慢,每天晚上都出来的——月球!

第X宇宙速度的由来

只有达到第一宇宙速度,飞行器才能环绕地球;更快一些,达到第二宇宙速度,才能逃出地球。因为太阳的质量远大于地球,时空扭曲更加严重,在绳网上压出来的坑,就远比地球更深更陡,所以“逃逸”速度就必须要更快,只有达到第三宇宙速度,飞行器才能出太阳系(达到第二宇宙速度,只能实现环绕太阳)!

如果凹陷里的球,质量忽然发生剧烈变化呢?比如太阳忽然爆炸、又忽然复原了,那么这个凹陷一定会突然平复、又突然下落,向绳网周围发出震颤的抖动,换句话说,那么扭曲的时空就会卷起波澜,向四周空间扩散,来传递这个扭曲。这个波澜,就是前段传的沸沸扬扬的“引力波”,广义相对论的推论之一。这个扩散速度,也是光速。

黑洞之旅

既然质量越大坑就越深,那么如果质量足够大,同时体积足够小,那么,坑也就会足够深。以我们直观的经验,坑越深,要想从里面陷进去再飞出来,需要的速度也就要越大。就好比,弹球飞越一个碗口,和飞越一个漏斗口,需要的速度当然是不同的。

即使是第二宇宙速度,也就是11.2千米/秒。这就已经是民航班机的好几十倍了!大胆设想一下,如果地球的质量再增大些,体积再小些,那么,坑就会再深些,逃逸速度就要再快些。

逃逸速度会不会一直逼近到30万千米/秒,也就是光速呢?!?!

没错,根据计算,即使质量保持现状,如果仅仅是把地球的直径,压缩到大约18mm,那么,逃逸速度就会达到光速!!如果地球直径再小些,或者是质量再增些,那么逃逸速度就会超过光速!也就是说,只要进入了这个引力场,没有什么是可以逃逸出去的,即使是光也不行。地球将吞噬一切!

是的。这,就是黑洞!

总结陈词

狭义相对论,四个结论,甲:光速恒定、乙:相对论因子、丙:时间膨胀、丁:空间收缩。

但是,逻辑起点是匀速直线运动,太“特殊”了,因此叫作狭义相对论。

广义相对论,引力=加速度,加入加速度,就是普适的广义相对了了。

广义相对论,主要是解释引力的本质,引力不是“力”,只是质量造成的时空扭曲。在此基础上,速度是逃脱引力的唯一手段,一旦逃脱速度超过光速吗,黑洞也就形成了。


齐文刀


孤猴78345271

狭义相对论的核心思想是说明了时间和空间的相对性,即时间可快可慢,空间可大可小,顺便说了光速不变原理。这有别于牛顿时代的绝对时空观。广义相对论进一步说明了时空为什么会这个样子,即时空是由物质(物质即是能量的聚集体)决定的,不同的物质周围有不同的时空,万有引力是由时空弯曲造成的假象,实际上万有引力是不存在的。


分享到:


相關文章: