151天 倾丞

心随我意 路行千里

细谈广义相对论与狭义相对论

发布于 21天前 / 8 次围观 / 0 条评论 / 杂七杂八 / 倾丞 / [百度已收录]

要了解狭义相对论和广义相对论的区别,我们首先要搞清楚,这两个理论大概说了什么?

狭义相对论

我们先从狭义相对论说起,其实狭义相对论解决了一个物理学的重大矛盾。在爱因斯坦之前,最成功的两个理论分别是牛顿提出的牛顿力学和麦克斯韦提出麦克斯韦方程。只不过,这两个理论有个矛盾,那就是:光速

 

具体来说,牛顿的理论认为,速度可以不断地进行叠加,没有上限,只要你加得上去就行。可是,麦克斯韦方程得出的光速是一个固定值,似乎暗示着光速无论在什么惯性坐标系下都是一样的。要知道,我们在使用牛顿力学时,是需要先选定参考坐标的。因此,科学家就在思考,是不是存在一个奇怪的坐标系,让光速一直保持一个速度,它们管这个叫做以太。于是,一群科学家就拼了命地去找“以太”,然后他们接二连三地失败了。

后来,26岁的爱因斯坦提出了狭义相对论。

 

有人说他高举了奥卡姆剃刀原理才成功的,这个奥卡姆剃刀原理大意是:如无必须勿增实体。翻译过来就是,咋简单咋来。既然光速是不变的,那为啥还要假设“以太”?

于是,爱因斯坦就以“光速不变原理”和“相对性原理”为基础假设,推导出了狭义相对论。这个过程就有点像平面几何,就只有五条公设,但是能搞出一整套体系。而这里的相对性原理,说白了就是经典物理学的老套路,在研究运动时,需要先选个惯性参考系。

通过这两条假设,爱因斯坦出了很多奇葩的结论,比如:时间膨胀。说的是,如果你想对于我高速运动,那我看你的时间就会变慢,这种变慢可以理解成,如果你在高速的飞船里做操,那我这里看到的就是你在慢动作做操。而你自己其实感觉到的时间是正常流逝。所以,是以我参考系看你时间膨胀了。如果你也看到,你也会发现我的时间也变慢了,因为我想对于你也是在高速运动的。

除了时间膨胀,还有尺缩效应,其实说的是如果你相对于我高速运动,那你的尺寸会缩短。你会发现,为什么要么和时间,要么和长度(空间)有关,这其实就和狭义相对论要统一的对象有关,狭义相对论统一了时间和空间。爱因斯坦认为时间和空间并不是分离的两个物理量,它们会受到运动的影响。所以,我们要把它们结合起来研究,并称为时空。由于我们生活在三维的空间内,所以也可以叫做三维时空。而光速则是三维时空的一个特殊属性,描述了两个事件之间的时空间隔。说得直白点就是,你看到镜子里的自己永远都是过去的自己,

 

因为这里要经历跑光到镜面再跑回来,所以过去影响现在,现在影响未来,在光能跑到的范围内,都会影响到未来,有一句很文艺的话就是:光锥即命运。说的就是这道理。

 

广义相对论

其实狭义相对论还有质能等价的部分,说的是运动也会影响到质量和能量,不过这并不是我们这次的重点。我们先来说说广义相对论,广义相对论被很多人认为是描述引力的一个理论。说的是引力的本质是时空的弯曲。

地球之所以会绕着太阳转,就是因为太阳弯曲了周围的时空。而地球是沿着时空的测地线在运动。这个测地线其实就是时空内的“直线”,两点之间的最短路径,如果一个物体不收任何外力都会沿着测地线运动。(我们把视角降维到二维上看,就是下面这样。)

狭义相对论和广义相对论的区别

之前也说到,是很多人认为广义相对论是用来解释引力的。实际上,我们只能说这是顺手解决了引力。这其实就会涉及到狭义相对论和广义相对论的区别。在讲狭义相对论时,我们总在说“惯性参考系”,为什么呢?

其实狭义相对论描述的三维时空是平直的三维时空

未显示?请点击刷新