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通俗易懂的讲解《狭义相对论》看完对世界的理

时间:2018-07-11 15:45

来源:未知作者:北京赛车pk10点击:

  1本帖为基础科普向,切不可以为本帖内容就是狭相推导过程,有能力的还是要看原论文。

  3.本文篇幅可能较大,相对论有很多反直觉的东西,希望真正对相对论好奇的朋友们能坚持读下去。整个过程有一个词可以形容:虐脑。是滴,很费脑袋,要用心思考才能理解的。当你真的把握住了相对论的精髓思想后,回看这一切,就会认识到这是非常美妙的一件事。

  首先从结构上说一下,狭义相对论(简称SR,S是特殊的意思,R是相对论的意思)是怎么组成的吧。SR有两个最根本的前提假设,A:光速不变,B:相对性原理。

  从这两个假设可以推导出一个叫做“洛伦兹变换”的东西。为啥叫洛伦兹,因为是一个名叫“洛伦兹”的人首先写下这个东西的,爱因斯坦是后来才写出来的。但很可惜,洛伦兹没有搞出相对论,却搞出了个有类似内容的理论,结果被抛弃了。

  好,得到了这个洛伦兹变换,就能直接得到尺缩时涨,也就是运动的尺子收缩,运动的钟表时间膨胀这两个结论。

  可是。。。这些都只是数学推导的结论,我要写的不是这些,而是这些结论背后的物理。所以我们就绕开这条道,走旁门左道吧。

  自古以来,人类积累了一大堆生活经验。比如,一根木头只要不腐烂,放在这儿或者放在哪儿,木头的长度看起来是一样的。这很显然嘛。再比如同样这根木头,昨天的长度跟今天的长度也是一样的。三体里的那个六分仪用台球的例子说明过这个问题,当然他说得更高级一点。

  这意味着,物体的长度是一个可以在很多地方、很多时候被反复测量的量。当然,这个结论是否正确,最好还是多做一些实验。但是从直觉上来看,这个结论没错。

  那应该怎么测量木头的长度呢?用尺子嘛。为啥尺子可以测量长度?就因为上面说的:尺子本身的长度,任何地点任何时候都应该是恒定不变的,所以可以拿来做测量物体长度的标准。

  如果尺子在不同地方,不同时候的长度会变,或许我们还可以用尺子来测长度!为啥?因为我们可以相信,物体的长度也会在不同的地方、不同的时候,发生跟尺子同样的变化!尺子的本身长度,跟物体的长度,同比例地同步变化,所以测出来的结果,跟不发生变化时测出的结果是一致的!

  这里隐藏着一个很有趣的现象,那就是物体的长度,反映的是物体所占据空间的长度,是空间的长度!两把尺子A和B,如果在一个地方它们长度相同,那么我们应该可以推算出,这两把尺子在任何地点的长度也是一样的!不可能换了一个地点,尺子B的会比A的更长了。换一种高级点的说法就是,空间应该使物体存在的“舞台”,对所有物体的长度都一视同仁!

  哈,关于物体长度,貌似讲完了。。no,没完呢。有一个情况我们貌似直接忽略了:运动着的物体的长度,该怎么用尺子去测量呀?

  要说下这个运动着的物体是什么意思。我们说,物体运动,都是相对于一个参考物体的。比如说,开动着的汽车,是相对于马路在运动,马路就是参考的物体,站在马路上的人会给这个说法一个好评。。那么马路是否也在相对着谁运动?是啊,马路在相对着汽车运动嘛,坐在汽车里的人看到马路向后跑,就是这感觉。那么,到底谁在运动啊?这个问题提得很错误。。运动只能说是相对于谁的,比如说到汽车在运动,应该说汽车在相对于什么运动。那么马路不是看起来不动的嘛?谁说马路也在动啊?汽车上的人说的,马路跟马路边的车站、建筑、植物神马的一起在运动,相对于汽车运动。。

  好,接着问运动的物体该怎么量长度。现在知道了,运动的物体肯定是说相对于谁在运动的物体对吧,一般来说,谁去测量,就是相对于谁。比如说老张 要去测量,那么就必须说,他去测量一个相对于他运动的物体的长度。。物理一点的说法就是,以老张为静止参考物,测量运动物体的长度。

  大伙儿或许会想到,让老张跑起来吧,追上那个物体,然后跟那个物体保持相互静止,然后用尺子去测!

  好吧,我这里要问的是,规定老张不许动,他该怎么去测量跑动的汽车的长度?换做你,你会怎么去测?

  我有一个简单的办法。。拍个照不就行了。反正照片里有汽车,还有马路和马路上的各个附着物(垃圾箱神马的)。我对着照片,用尺子量好汽车的长度(这长度肯定不是真实的对吧),然后再去量照片里马路边两个东西的长度(也不是真实的对吧)。。。明白了吧,我再去量一下实际情况下马路边那俩货的真实长度,最后按比例算一下就知道汽车的真实长度了。

  再仔细想一下,如果我事先在马路上,等距离地放好一个个垃圾箱,不就更方便了嘛?最好每两个垃圾箱的间距都是1米。到时候拍照后,我只要数一数照片里,汽车两端之间有几个垃圾箱就能大概知道汽车的长度了。

  这个等距离堆满了垃圾箱的马路,可以说是一把更大的尺子。我们都看到过,尺子上有一个个刻度。这些刻度就相当于上面我说的那一个个垃圾箱。

  这样的马路,抽象一下,想象成一根笔直的长长的杆子横放在地上,杆子上有等距离的刻度(一把很长的尺子)。好吧,这就是一根坐标轴。坐标轴,就是一根长杆子(轴),上面等距离地刻着一个个刻度(坐标)。

  要注意的是,这根长杆(轴)必须是笔直的啊,弯曲了的话就没用了。而且必须保证轴上的刻度是等距离分布的,否则也没用了。现实世界里很难做出这样的一根轴,只能想象了。

  我们在汽车前末两端各放一个反射镜,稍微上下有点落差。我们在手里拿着两个发射激光的发射器,再拿两个接收激光的接收器,接收器连着电子表。

  看到汽车跑过去了,我同时打开两个激光发射器,向汽车发射激光。其中一道光遇到车尾反射镜后,反射回来。另一道要遇到车头反射镜后再反射回来。于是最后我手里的两个接收器会一先一后接收到这两道反射回来的光对吧,连接到接收器的电子表自动记录下接收时间。

  于是我就有了一个时间差值,意味着两道反射回来的光,先后回到我这儿的时间差。当然,光的速度是已知的,汽车的速度也必须是已知的(可以看汽车里的速度仪表)。这样就能算出汽车的长度(两个反射镜之间的距离)了。

  这两个办法,看,有一个共性,那就是都用到了“光”!注意,拍照,拍的是从物体上散射出来的光。

  这就是为啥,相对论那么在意光了。或者说,如果光有一种特殊的性质,那么在测量运动物体的长度时,会发生很特殊的情况了。

  很明显,光的这个特殊性质就是“光速不变”。这个待会再说。现在看看怎么测量时间吧。

  用表呗。秒表、机械表、电子表、原子钟都行,只要是有固定周期的重复性运动的装置都可以。比如高中学过的单摆也可以。

  什么叫时间?这个问题难。我可以这么说,时间跟长度一样,也是用“尺子”去测量的,跟测量长度的原理一样。测量长度,最终的结果就是“相当于几个标准尺子长度”,比如3米,就是相当于3个标准米尺的长度。。测量的时间也一样,结果就是“相当于几个标准周期”。比如说5秒,相当于“秒表指针跑了5圈”。

  这里有个概念是“时刻”,对应着上面说的尺子上的刻度。但是钟表不是一根长杆子,没法画刻度的。这怎么办?

  回想一下前面说到的那条马路,或者说是坐标轴。我们看这个刻度,总能找到一个“0刻度”吧。一般,我们总是把测量者放在这个0刻度的位置上,这个0刻度的位置称为“原点”。比如龙野游新在测量开动汽车的长度时,就是以自己为0刻度来建立一根坐标轴的。可以看到,这个0刻度是可以随便放置的。但一旦放好了0刻度,相当于放好了坐标轴,那就不能改动0刻度和坐标轴的方向了。

  时间也一样,有个0刻度,也是随意设置的。比如我可以设定时间的0刻度是公元元年,也可以设置为2016年1月1日0点,更可以设置为给汽车拍照的那个瞬间。但一旦设定了一个0刻度,就不能轻易改变它了。时间的0刻度,一般称作“0时刻”。

  接着就说得通了,所谓的某个时刻,就是离开0时刻的“时间长度”,这个时间长度一般称作“时间间隔”,就像物体的长度一般称作“空间间隔”一样。时间间隔用秒表的读数来指出,表示从0时刻开始(那时候按下了秒表,秒表指针开始画圈),秒表的指针走了几圈。

  好,接下来看,怎么测量一段时间。假设啊,有一个家伙叫老杨 ,他在抽烟。我们怎么测量他抽一根烟的时间间隔呢?

  在他点燃香烟的时候(时刻),我们设定这时是0时刻,同时按下手里的秒表。老杨呼呼地抽啊抽,秒表指针刷刷地走啊走,我看着秒表滴滴滴地统计着秒表走了的圈数(秒表读数)。

  哈,老杨抽完了烟,刷的一下扔掉了烟蒂。我看到他扔掉烟蒂的同时,手忙脚乱地停下秒表,脑袋里残留着最后的读数。这个读数就是他老杨抽烟所花的时间间隔。

  这很好理解对吧,对的。但是如果老杨开着汽车在抽烟,肿么办??也就是该如何测量运动物体的时间间隔?

  我的办法是,在马路上各个位置我都安排一个人,每个人手里都拿着一个秒表。马路上好多人,挤满了整条马路哈。其实就是,马路上放了好多秒表和记录秒表读数的自动装置,可以说,在马路的任意一个位置,都有一个秒表。

  注意哈,这么多秒表,必须都要校准的哦,而且必须要相同的哦,不能是一个表走得快,另一个表走得慢,这可不行。

  校准的意思是,在一个表按下的同时,其他所有的表都必须一起按下。也就是说,所有的表,都有相同的0时刻。

  校准那么多表,看起来很容易,其实做起来很麻烦很麻烦。不管了,无视这些麻烦,就这么假定都校准了。以后有机会我会详细说说怎么校准。

  好了,汽车开过来了,老杨还没开始抽烟。我一声令下,所有的表都开始跑起来。接着老杨点燃了香烟,离开老杨最近的那个秒表,记下读数。抽啊抽,抽完了,另一个离开老杨最近的秒表记下另一个读数。于是,两个读数的差,就是开着汽车的老杨抽完一支烟的时间间隔。

  就这么回事。要注意啊,要获得“老杨开始抽烟”和“老杨抽完了烟”,我们必须用眼睛去看的,意味着要用到“光”。又来了,又跟光有关系了,木有办法。

  还有没有其他办法??应该是有的,不过我现在一下子没想出来。我这里只是想说一个另类的东西。一个很奇葩的计时装置。

  这个奇葩计时装置这么搞:把两面镜子水平地平行放置,俩镜子之间隔开一小段距离,固定好。开始计时的同时,让下方的镜子魔幻般地垂直向上发射一小段光。哈,光就会在这两面镜子之间来回反射了对吧,这就是一个往复运动了。往复运动都可以计时的。

  把这个奇葩装置放到老杨的汽车上,跟着老杨汽车一起跑。马路边上的老张会发现神马?神马?嘿嘿。有余力的小伙伴们可以画张图看看会有些神马好玩的。

  好吧,我承认前面这些都是铺垫,都是提神醒脑的测试。如果你坚持看到这,恭喜啊,你就必然能看得到最后了。相对论中充满着这样的分析,仔细的分析,不过也就这样子难度了。换句话说,相对论就是把平时我们习以为常的过程,一步步放大看细节。有一些细节,特别是跟光有关的,就要留个心眼,那就是相对论要修改的地方。原因嘛,就是因为光速不变。

  我这里先讲一下这玩意儿到底说的是什么。至于为啥会这样,这要留到后面去讲了。也不会很后面,讲完第二个前提后就开始。

  咳咳,有点拗口。先来个语法分析哈哈哈。这句话的主语是啥?光速呗。谓语是“是”,宾语是“数值”。。。【光速是数值】。好,这应该很明确的,速度嘛,总是一个数字对吧。光速大约就是30万,单位是“公里/秒”。

  哪种光速?是测量到的真空中的光速。。呵呵,意思是只考虑在真空里运动的光的速度,水里、玻璃里、气体里等等在介质里传播的光,不予考虑!真空是啥?就是空空如也,啥都没有。

  接着,这光速是谁测量的呀?是任何惯性测量者。这词解释起来麻烦,对高中生就可以说是任何的匀速直线运动的观测者。对于初中生来说,就是那些不是一会儿加速一会儿减速,也不会拐弯的观测者。不知道初中生能否理解。不理解的喊一下。

  好,最后看,这样的光速是什么样的数值?是恒定的数值!什么叫恒定的?就是同一个,也就是不变,嘿嘿,【光速…不变】来了。

  好,这句话可以这么说:任何的匀速直线运动的观测者,所测量到的线万公里每秒。

  好,这句话该怎么具体理解?仔细想过的朋友或许会产生好多问号:这怎么可能!!!???所以最好你也能仔细想出这些问号来。

  我们先不看光,看一辆火车在铁轨上匀速地跑。我站在地面上,看着火车跑,测量到火车的速度比如是时速100公里。接着我开着一辆汽车追赶这火车,我汽车开到60码,也就是时速60公里。大家想一下,这时候我测量火车的速度(相对我和汽车的速度)是多少?必须是40公里的时速对吧!如果我加快汽车速度,达到时速100公里呢??我看到我跟火车并排向前开了,换句话说火车相对于我静止了!我继续加大马力,达到时速120,这时候我看到火车“往后跑”了。这很常识吧。

  如果我说,无论我的汽车开到多少码,汽车里的我测量匀速跑的火车相对于我的速度总是时速100公里,这可能吗?对于火车来说是不可能的,但是对于光,就是这样的。

  无论我怎么跑,怎么加快速度,我测量到的光速,总是固定的30万公里每秒。。。也就是说,无论我速度多快,我再加速我自己,仍然追不上光,一点都没追上。光,总是以30万的速度离我而去。

  好了,光速不变原理的内容就说到这,仔细去体会体会其中的不可思议吧。体会出来了后再继续看,效果最好啦。

  有人肯定会疑问:现实真的是这样?咳咳,我反正没去测量过光速,所以我只能去看别人的测量结果。。。据说做过好几个实验,测出的结果就是光速不变。现实真是这样!!肿么回事?问题的根结在哪里呀?爱因斯坦说,筒子们,乃们的绝对时间观念太根深蒂固了,要连根拔掉才能理解。绝对时间观念?

  自古以来。我们总是认为,在全宇宙范围内,在任何地点,时间总是默默滴、跟旁物毫无关系滴、自顾自地流逝。任何物理过程都不会影响时间流逝的速度。这就叫“绝对时间观念”。所谓“绝对”就是啥都影响不到他的意思。现在小爱说,这是不对的。

  就是说自古以来,空间的尺度(长度)是独立的,没有任何物理过程可以影响到它。换句话说,无论我们怎么运动,测量到的同一个物体的长度必须是相同的。小爱说,这也是不对的。

  还记得那个奇葩的计时装置嘛?两块水平放置的镜子,一上一下。某个时候从下面镜子某处,垂直向上发射一道光,然后这道光就会被上方的镜子反射回来。我们就看这一个往复的过程!

  还是上个图吧。。假如这个装置放在火车上。一个笑脸(观察者)站在这个装置的旁边看这个过程,是这样的:

  对吧,垂直向上的一道光,经过上面镜子的一次反射,回到发射地了。咱们就看这一段。站在装置旁边的人看到的就是这情形了,这段光,经过了一小段时间后到达上方。然后又经过同样的一小段时间后,回到下方。为啥是同样的时间段?因为上升路径的距离,跟下降路径的距离是一样的。同时,光上升的速度,跟下降的速度也是一样的(这可不是光速不变哦),所以经历的时间段是一样的。

  现在切换一下,如果一个站在地面铁轨上的人,他是怎么看这个过程的呢?他是否看到这道光也是垂直向上的?不可能嘛,如果这道光是垂直上升,再垂直下降,那么在这段时间里,两块镜子已经随着火车前进了一小段距离了,于是这道光就回不到下方镜子的发射处了对吧。

  我们说,无论怎么样,对于一件确切的事情,比如对于光最后返回到发射处这件事,任何的观察者都必须看到同样的结局(火车上的人看到的是这样,地面上的人也必须看到的是这样),否则就乱套了。

  可以确定一件事,那就是地面上的笑脸看到的光的路径(轨迹),比火车上笑脸所看到的轨迹,距离要长!!三角形斜角边长度大于直角边嘛。。

  那么,日常经验怎么看这两个情况的?日常经验说,地面笑脸看到的光的速度,要比火车笑脸看到的光的速度大,所以相同的时间段里,地面笑脸看到这道光走了更长的距离。。很和谐嘛!

  灰常可惜呀,可惜,光速不变原理说,光速是不变滴~~那就是说,在火车上看到的这道光的速度,跟地面上看到的同样这道光的速度必须是一样滴!!!!

  可能么?嘿嘿。。仔细看一看上楼的那段日常经验分析,我们会看到有这么一句话:

  要比火车笑脸看到的光的速度大,【所以相同的时间段里】,地面笑脸看到这道光走了更长的距离 blablabla。。。

  看【】内的这句话,这就是关键的地方。“相同的时间段里”,这就是绝对时间观的分析。这么说吧,日常经验跟我们说,如果我们在地面上看这个过程(光的一次往复)的时间间隔比如说是1秒,那么在火车上看到这个过程的时间间隔也必定是1秒。

  爱因斯坦说,no no no,放弃这个说法吧,就不会发出“肿么可能”的惊叹了。假定地面上看这个过程是1秒,如果火车上看这个过程不再是1秒,比如是0.5秒(应该是另一个确切的数字,我随便取了一个),那么光速就可以不变了。我们来看看具体情况。

  地面上看,光走了更长的路。如果光速必须满足不变,那么只能让地面上的时间过得更多一些了:更长的距离,除以更多的时间,除出来的速度(光速)就仍然可以是30万。分子大了,要维持商值不变,那就必须让分母也变大呗。

  总结一下哈。地面上看,光花了更长的时间走了更多的路。嗯,这很对的。那么地面上的时间,比谁更长?比火车上的更长!那么相对来说,火车上的时间,就比地面上的时间来得更短。

  这里要仔细考虑一下,什么叫时间更长?什么叫时间更短?其实这里用“长短”并不合适,用“多少”会更容易理解。那么替换一下看看:

  地面上的流过的时间,比火车上流过的时间更多;反过来,火车上的时间比地面上的时间流过的更少。多和少指的是什么?指的就是秒表的读数!秒表读数越大,经历的时间就越多;读数越小,经历的时间越少。比如说,地面上秒表读数是10秒,火车上秒表读数是6秒,显然地面经历了更多的时间对吧(多了4秒嘛),火车经历了更少的时间。

  从这个例子,我要说几句话。首先,我们看到了一个物理理论的一种“无赖”手段:为了达到新的(满足光速不变的)要求,就可以随意改变固有的习惯性思想!!额,说实话,这种手段在后续的理论发展道路上,比比皆是。最典型的就是量子物理,那个改变可就大了去了。。。所以大家必须习惯这种手段的方法,那就是:习以为常的东西,都是可以拿来随便改的。

  其次嘛,从这个手段来看,光速不变原理是一个“目标”。为了满足这个目标,我们需要寻找一种合适的观念来达到目标。这就是倒推的手法。与这个相反的手法(正推)就是,先假定一系列新的观念,然后推导出一系列新的结论。这个正推手法应该是大家更熟悉的方法,可惜的是,正推法几乎都是教科书的“马后炮”式的方法。真正的研究,往往是倒推法。

  经历了更少的时间,岂不就是时间变慢了!?嘿嘿嘿,结论出来了:运动的火车上的时间,比地面上更慢,这就是时间变慢嘛。

  其实我将要这里偷个懒,那就是直接使用上面的“运动物体时间变慢”这个结论。。。

  问题是这样滴:测量一根运动的长杆子的长度,跟测量同一根但是是静止的长杆子长度,还是相同的吗?日常经验告诉我们,必须相同啊,没道理不同。呵,在这里大家都知道了,这个结论不再对了。

  那,我们还是拿一列火车来做例子吧。前面说过一种测量运动物体长度的方法,这里就套用这个方法咯。

  首先我说一下,什么叫测量静止长度。比如火车在运动对吧。那么站在火车上不动的人,火车相对于他是静止的,于是他测出的火车长度,就是火车的静止长度。与此同时,站在地面上的人,测量这列运动火车的长度,就是运动长度。那么,同样的这列火车如果是停靠在站台里,那么站在地面上的人测量出这时这列火车的长度,是什么长度?静止长度哦。看,对于同一列火车,这里就有两种静止长度了。可以想象,火车速度不同的时候,有各自的静止长度。。这些静止长度是否相等?必须相等的。为啥?以后讲,跟第二个前提假设有关系。

  我们要用同一个方法来测量静止和运动长度哦,所以用尺子一点一点丈量的方法就不行了,因为运动的火车,无法用尺子慢慢量长度。那我就用光吧,反正大家都知道,不用它就推不出神马新奇的玩意儿来。

  先看测量静止长度,就拿站在火车上不动的人为例吧。他在车尾安放一个激光发射器和一个接收器。在车头放一面反光镜。0时刻(某一个时刻)他按下激光发射器,同时按下秒表开始计时。激光水平地到达车头的反光镜后被反射回来,最终被接收器收掉,同时秒表停止。这时候有了速度(光速)和时间(秒表读数),就能算出列车长度。

  这个方法很典型吧,用光去测量距离。由于传统的空间和时间观念已经不可靠了,在光速不变这个前提下,空间和时间是需要改造的,所以在分析问题的时候,尽量用一些可靠的已知的东西,比如在相对论里,光速就是一个可靠的速度;尽量避免直接用不可靠的东西,比如传统的空间和时间观念。

  那么好,接下来看看地面上的人,是怎么看这个过程的?记住哈,这个过程是火车上的人发了光然后被车头反光镜反弹回接收器。

  第一段:光路走得长了一点对吧,多走了多少路?多走了火车在这段时间内走的路程。

  第二段,光路少走了一点对吧。少走了多少?少走了火车在这段时间内走过的路程,而且,比第一段多走的路程要少。。。为啥?因为第二段花的时间比第一段的时间更少。为啥时间更少。。?因为第二段的光路路程比第一段光路路程要来的短,而两阶段的光速是同一个。

  所以总体而言,这时候光路的路程,比静止长度时的光路路程距离稍微长了一点。这相当于啥?这里是个关键了!初学者最容易搞错了。

  这相当于,运动长度比静止长度要来的长吗?无论这句话是对是错,可以肯定的是,俩长度不相等。。有趣的是,结果却是相反:运动长度比静止长度来的短。。。为啥?

  因为,这个过程,是火车里的那个人测量静止长度的过程,是地面人带着怀疑的眼光在审视火车人的测量方法到底“对不对”(应该说到底符合不符合他地面人的标准)。

  地面人:我看了下你的测量方法,觉得你算得多了一点,多算了一部分火车走过的距离!所以我认为火车的长度必须小于10米!

  就这么回事,地面人认为火车人的这个测量方法是有问题的,因为根据地面人的角度看,这样方法下多算了一点火车自身走过的距离。如果是地面人亲自测量,必须测到的距离比火车人测到的距离要短!

  火车人测到的是静止长度,地面人亲自测到的是运动长度。这就是说,运动长度比静止长度要来的短,也就是运动物体长度缩短。。。

  好吧,好像有点难度。对初中生来说当然是难的,对高中生来说都是难的呢,对于大学生呢?也是属于有点难度的。觉得难,不是因为真的那么难,而是在于不熟悉这种思考方式啦。我们熟悉的是,呐,这是几个已知条件,来,推一个推论来看看!对吧,很熟悉吧,这是标准的中学里的思考方式(因为考试就是考这个!)。这种从已知条件,推出推论的做法,有一个隐藏在阴暗角落的基础,那就是你所学到的所有知识所组成的一个背景知识体系。比如说个数学哈,初中生学了平面几何对吧,高中继续学平面的解析几何、立体几何。。。你在面对一个几何题目的时候,你有一套已经熟悉了好几年的知识背景:平面或者立体几何,都是“平直”的。你思考这个题目的时候,很多在潜意识里擦肩而过的念头、灵感,都是从这个知识背景里涌现出来的。但忽然,你要面对的是一个不再平直的几何问题时(比如分析一个球表面的几何问题),你会发现你所有平直几何的知识都没用,你的背景知识体系无法产生任何有用的念头来对付这道题。。。这时候你去啃新的书本,去理解新的思路,你就会觉得十分陌生,十分难,因为你还缺乏足够的材料去组织一个新的知识背景。只有当你大致组成了新的背景,你就会觉得不再那么难了。

  相对论问题就是这样。我们熟悉了老半天的日常经验,现在轰然崩溃了,是错的。面对着相对论,在还没有建立起新的“日常经验”之前,你肯定是觉得所有的都那么难。更何况,这个帖子说到现在,说的还只是这个“新的日常经验”的开始部分。。。这个时候,你很容易去跟以前熟悉的日常经验进行比较,期望仍然从以前的认知背景里找到一点熟悉感。哈,我鼓励你这么做!越详细、越仔细越好,这样你就会越容易把旧的知识背景,替换为新的知识背景了。

  好,我上面给出的是对“运动物体长度缩短”的一个测量方法,或者说是一种“解释”。还有其他的解释。要知道。这些所有的解释其实都是“等价的”,说到底都可以相互推来推去的。只不过有的解释,理解起来很困难,有的却十分简单!简单与否,我认为就是“是否够直观,够一下子直达其本质”。很快我就会说另一种很容易理解的关于尺缩的解释哦。大家慢等。

  关于尺缩,时慢,各说了一种解释,其中的核心就是光速不变原理。其他的各种解释,核心也是这个。相对论的核心就是这个,毋容置疑哦。

  那么,为啥爱因斯坦会想到“光速应该是不变的”呢?是什么原因诱使他老人家往这个方面想呢?实际的历史故事,俺就不说啦,百度搜索各种剧透都有。我只说纯理论性的思考!

  光速不必傲原理那么奇葩,那么与日常生活格格不入,那么必定是有一个同样是非常格格不入的“理论上的矛盾”,使得光速不变必须被提出来才能解决。

  先说一个小故事,据说是老爱自己说的。老爱也有年轻时候啊,很帅的。年少时的老爱想:妹的要是我乘着光速飞船去追一道光,我会看到神马??

  在没接触到相对论之前,那个问题的答案是很“显然”的撒。乘着光速飞船,那么前面那道光跟我的速度不就一样了嘛,那我就应该看到一团静止的光飘在我的前方啊。

  你们是不是也这样想的?咳咳,反正我以前就是这么想的,还想这这团漂浮在前面的光会是甜的吗。。。。

  这个小故事并没有说出那个“格格不入的理论矛盾”是什么,但这个小故事却是那个“理论矛盾”的一个很形象的体现。。。光,能静止地飘在一个地方吗?

  好好地想一下。当然,根据光速不变原理,光是不可能静止漂浮着的。但。。为啥捏?

  应该说,光速不变原理原理的提出,就是为了防止出现这种“漂浮在前面不动的光团”的。如果任何人(无论他跑得多快)都观测到同样的光速,那么就不会有静止的光了对吧。所以光速不变很圆满地解决了这个问题。只不过。。。还有根刺没拔掉。光速为啥是不变的呢?顺便还会带出另一个问题:还有其他什么玩意,也是速度不变的吗?

  光速为啥不变,还是待会再说。。至于还有其他神马玩意儿也是速度不变的,这个问题的答案是:有!应该说,任何以光速运动的玩意,都是速度不变的!所以本质不是光,而是光速!这是个很特殊的速度,它应该能反映出一个很深刻的本质性的问题。

  好了,接下来要说的是SR的第二个前提假设:相对性。这玩意儿又要说一大坨了,慢慢说吧,挺好玩的。应该说,光速为啥不变,跟这个也有关系哦!

  啊。。。传说中的相对性。初中不知道讲过伽利略没,我记得讲过。伽利略的很多个科研结果中,有一个是非常了不起的,影响到现在并且被发扬光大,那就是相对性原理。

  这个题目很大啊,我都不知道从哪儿开始写了。。。相对性原理最早由伽利略总结出来,运用在牛顿力学中。爱因斯坦2次扩充了相对性原理,第一次扩充后得到了狭义相对论,相对性原理被冠以一个形容词:狭义相对论相对性原理;第二次扩充后得到了广义相对论,称作广义相对论相对性原理。相对性原理在相对论之后的物理理论中,更是被进一步纳入一个叫“对称性原理”的东西里,作为一种很有用的对称原理。对称,在现代物理(所谓标准模型啦,大统一理论啦,超弦理论啦都是)具有决定性的作用。所以用现代的话来说,相对性原理的精髓,就是对称性。。。。慢慢来,我会一点点说清楚的。

  话说我读中学的时候,物理书后面有一个选读内容,就是讲伽利略怎么描述一艘在海上平稳行驶的船上,发生的故事。。。。原文我记不得了,也没必要去找,我学着写这么一段吧。

  设想在平静的大海里,有一艘大船(比如游轮吧)平稳地、匀速直线地开着。船里有一件实验室,没有窗户,看不到外边的海景。我站在这个实验室里,会知道这艘船是不是在开着呢?船是静止着,还是在运动着?我观察这间实验室里的情况,发现有个鱼缸,里面的鱼的游动,跟我在陆地上看到静止鱼缸里的鱼的游动,是一样的。我尝试向上跳了一下,结果仍然落在原地,就跟我在陆地上发生的一样。我邀请你一起来打桌球,也察觉不了不同。我抽根烟,观察飘出来的烟云,跟我在陆地上的情况仍然一模一样。。。我环顾四周,我居然找不到“我在运动着”的证据!我(或者这艘船)到底是静止着,还是运动着?

  想必看了上面这段字大家都会有切身体会。用物理一点的话来总结,就是:在这样的船上,无论做什么样的物理实验,都判断不出船是静止的还是运动的,或者说判断不出船到底运动速度是多少。

  当然以前遇到过一些人说啊,打开窗户看一下不就知道了嘛。。打开窗户也是物理实验嘛。。。擦,我把这类人归结为“缺乏物理抽象思维天赋者”。。。

  伽利略相对性原理说的就是:无法通过物理实验的方式,来判断观察者的惯性运动状态。换一种说法就是:无论惯性观察者运动状态如何,物理实验的结果都是相同的。。。

  这里又提到了惯性运动者,就是匀速直线运动的人。。还有,运动状态,指的就是“速度”。高中生知道,速度是矢量,有大小和方向。

  有两艘船,各自速度不同。你我分别在其中的一艘上。你我约定好做一组同样的物理实验。做完后我们碰头在一起,比较这两个实验的结果,会发现实验结果没差别的。

  回过头来看看“相对性原理”这几个字。。很明显是两个名词:【相对性】和【原理】。相对性这个词强调的是一个重点:“一切都是相对的”。原理嘛,意思就是无法被逻辑证明的玩意儿,只是一种“信仰般的假设”。所以说,相对性原理指的就是这么一条信仰:一切都是相对的。

  好吧,这怎么跟上面那个伽利略故事串起来?这就要好好体会“一切都是相对的”这句话的丰富含义了。说开了去,这句话其实指出了物理学中的一个大大的基石:不存在绝对静止。什么叫绝对静止?就是真正的、本质的、高于一切的那么一种存在状态。无论何时,我们总是喜欢把自己设想成一个静止的存在,这很接近绝对静止。比如日心说的出现和流行就说明了,人们总是以自我为静止的中心,这更接近绝对静止。

  绝对静止如果存在,那么当一个人绝对静止的时候,他就比其他运动着的人更有一种高高在上的权威性。他就完全可以以自己为标准去判决其他人的速度,而其他人也只能服气。这种特殊的优越性,另那些崇尚民主自由的人很不满。

  当然上面的说法,说服力并不强。具有强说服力的是:绝对静止,在哪?找的到吗?地球在运动。。太阳也在运动。。银河系在运动。。星系团也在运动。。好吧,宇宙本身呢?这是没答案的。或许有人说,找到宇宙的中心位置,那就是绝对静止。。在哪?要知道,伽利略时代的物理学,认为宇宙是无限大的。无限大空间的中心位置,可以是任何位置。。学过极限的可以很清楚这点。就算是现代物理所描述的宇宙,它的空间要么是封闭的(有限无界),要么是不封闭的(无限无界)。无论哪种,中心位置都是任何地方,比如我家马桶里。。。

  而绝对静止,更会在物理规律上,显示出一种更完善的状态。比如,通常的物理规律方程中,多多少少会出现速度这个参数,特别是观察者的速度。如果观察者是绝对静止的,那么物理规律就会去掉这些速度,而体现出一种更简单、更方便的方程。更何况还有各种速度变换的规律,更会因为绝对静止而显得多余。所以说,绝对静止意味着一种更优越的地位,意思是使得物理规律出现得更优越。

  好,其实我们都知道,绝对静止是不存在的。那意味着物理规律无法体现为一种最优越的情况。那么反过来说,当我们做各种物理实验,在各种不同的速度下做这些实验,如果能察觉实验结果之间有差异的话,那我就能判断出哪种速度更具有优越性了对不?凭着这个线索,我就能找到绝对静止。

  所以说,在各种速度下(在各种运动状态下)做物理实验,实验结果必须是没有差别的。只有这样,才能保证绝对静止不存在。看,伽利略的那艘船所体现的东西出来了。

  于是,这些想法被总结为“相对性”:物理规律在各种运动状态下的形式是相同的。

  这条原理非常强悍,高中朋友们都知道,很多具有对称性的物理题,都可以用这条原理来走捷径求解答。所以我们说,这条原理,跟“对称”是有先天联系的。这个以后再说。

  注意一点:这条原理被伽利略搞出来的时候,当时的物理学只有力学(运动学和力学)。所以原理中的“物理实验”,指的都是力学实验。

  后来出现了电磁学,是一门崭新的物理学。那么,伽利略的相对性原理是否继续适用于电磁学么?

  简单说点电磁学吧。电和磁大家应该都了解了,也足够了我也不多说了。反正有一个叫小麦的总结出电和磁的统一规律,叫电磁学。电磁学最猛的就是指出有电磁波(也就是光),电磁学方程告诉我们,电磁波的速度是一个常数。

  现在考虑的是,电磁学是否也继续满足相对性原理?如果是的话,那太好了,相对性原理更猛了。如果不是的话,那就要修改其中的某一个或者两个都要修改了。

  电磁规律中,光速是与相对性原理唯一有直接关联的。所以所谓的看电磁学是否与相对性原理相符合,就是看光速是否符合相对性原理。说到底,就是把相对性原理的“物理规律”囊括到电磁学,看看还成立不。

  这就回到老爱年少时的那个问题了:当我以光速运动时,看到我前方的光,会是怎么样的?看!这个问题的答案很显然,光速不变原理!也就是说,即使当我光速时,我看到前方的光,仍然是以光速离我而去。

  为啥?因为只有这样,才能使电磁学与相对性原理继续相符合。按照日常经验,如果我乘飞船去追光,那么光相对于我的速度将小于光速。这时候,我如果做电磁学实验(比如测量前方光的速度)就会发现,电磁学中的“电磁波速度”发生了变化(变小了),也就是物理规律不同了。这与相对性原理是抵触的。

  再想,如果我以光速前进,那么前方的光,按照日常经验,就必须是静止的。这时候电磁波方程就完蛋了,因为方程里,光速位于分母。。。。。

  实际上,在小爱搞出光速不变原理之前,有一个叫MM实验的,是测量“地球相对于以太的速度”的。以太是神马?就是传说中的电磁波(光)的介质。波都有介质对吧,声波的介质比如是空气,是液体也可以是固体(你的骨头);水波的介质是水。。。电磁波也要有一个介质吧,当时认为一个假想的东西叫“以太”,就是电磁波介质。这个以太是看不见摸不着的,全宇宙范围内都分布着的(光所在的地方,以太就存在)。进一步理论计算表明,以太必须很“硬”,但又必须十分“轻”。。奇葩的玩意。那么以太有速度嘛?它只要存在就必须要有个运动状态对吧。那么测量出地球相对于以太的速度,就可以说明这个问题了。于是做了妹妹实验(MM实验)。。。实验结果是:地球相对于以太静止!!!!

  地球居然相对于这个奇葩玩意静止!!这就好比在说,地球是宇宙中心,地球是绝对静止的一样的。。无聊。。当时的科学家们看到这个结果,要是给个批示的话,必然是:已阅。狗屁不通。

  当时为了解释这个狗屁不通的MM实验结果,洛伦兹提出了一个新的理论,修改了传统的牛顿理论。就在这里,洛伦兹给出了“洛伦兹变换”。这个理论可以解释MM实验结果,但它对牛顿理论的改动。。实在令人无语。

  据说老爱当时根本不知道这个MM实验,他只是凭着纯思考的方式提出了光速不变原理。然后花了点时间推导出了与洛伦兹变换一模一样的公式,正是因为这点,使得洛伦兹更早给出这组公式,结果就以洛伦兹变换来命名了。据说老爱很谦卑,是他主动提出以洛伦兹命名这组公式的,因为另一方面,洛伦兹是个老前辈。谁知道呢,主不在乎。

  如果把光速不变原理运用到MM实验分析中,那么就会完美地解释MM实验的奇怪结果了。关于MM实验(迈克尔逊-莫利实验)各位可以自行脑补比如百度。

  最后再提一点点MM实验的东西。MM实验的根本其实就是在检验相对性原理是否在电磁学领域仍然成立(MM实验就是个电磁学物理实验)。奇葩的实验结果告诉我们:如果光速不变,那么相对性原理,继续成立!

  到此为止,狭义相对论中的相对性,形式上仍然是“物理实验”,但这时的物理实验包括力学实验和电磁学实验了,而不是伽利略时代,只含力学实验。这是个本质区别。

  再说一点相对性原理吧。第一版说的是,物理规律对于任何惯性运动者来说都是一样形式的。第一点一版说,这里的物理规律必须包含力学和电磁学。

  接下来,老爱发展出了第二版相对性原理,这次他开刀对象是“惯性运动”,改为“任何运动者”:物理规律对于任何运动者来说都是一样形式的。我们知道惯性运动者就是直线匀速运动者。那么任何运动者呢?就是一切形式的运动者,比如做着圆周运动的人,比如自由落体中的人等等。第二版相对性原理发展出了广义相对论。

  有没有第三版相对性原理?目前看起来还没有,老爱似乎把这个原理发展到了最高点。但我们都知道,广义相对论还可以继续发展,但现代物理告诉我们,广义相对论发展的方向是量子化。。于是,偏离了原来的发展轨道了。

  好,咱们回到SR里面来吧。哦,顺便提一句,广义相对论的简称是GR(G=普通的)。

  经过前面几个例子,大家应该对尺缩时涨有了一定的了解。可能还不很理解,特别是那些分析的过程。我这里提一些思考方式上的东西试试看。不知道大家知道归纳法和演绎法不。。归纳法最简单的理解或许就是“正向推导”,就是大家熟悉的:已知一堆条件,去推导出一个结论。演绎法与此则相反是“反向推导”,就是从一个结论去分析出条件来,我上面几个例子的分析法,几乎就全都是演绎法,所以大家很不熟悉很不习惯。其实老爱对这个问题思考了很久(好几年了吧),就是一直在用演绎法,从结论(光速不变)去反推各种条件(时空不再绝对)。他也不熟悉嘛,所以花了很长时间。我上面的例子几乎一直在试图还原老爱的思考过程。以后也会继续。

  小爱的思路是这样的:既然自古以来所习惯了的绝对时间、空间观念(时空观)与光速不变是矛盾的,而光速不变是必须成立的,那么我只能去寻找崭新的时间和空间的观念。新的观念从未有过,所以我一点经验都没有。但我有线索,第一个就是检验标准:光速不变。凡是符合光速不变标准的时空观,都可以是正确的。第二个就是几个更基本的原则,比如:确切的事情,必须所有人都认同。比如:因果律必须继续成立等等。根据这些原则和标准,我就能去一个个尝试新的时空观。

  好了,思路就说到这,接下来要说SR中的一个十分重要的结论。这个结论可以说是SR里最关键的结论,也是新的时空观,与自古以来的时空观之间的最根本的区别所在。搞明白了这个结论,神马尺缩钟慢,都是小case了。

  前面我们说,绝对时空观就是指绝对的时间和绝对的空间。很笼统也很空洞。有一个概念可以同时涉及到时间和空间,那就是“同时”的概念。好,结论先给出来:自古以来时空观里的同时,是绝对的;相对论里的同时,不再是绝对的了。

  神马叫“同时”,必然是两件或者多件事对吧,没听说过“一件事同时发生”这种话。。。这里就考虑最简单的两件事。两件事同时发生,通常发生在两个不同地点吧,也可以是发生在同一地点。还有,必须是发生在同一个时间(时刻)对吧,否则就不是“同时的”了。

  详细的结论是:对于一个人来说,同时同地发生的事情,对于另一个人来说也必须是同时同地发生的。对于一个人来说同时不同地发生的事情,对于另一个人来说可能不再同时发生了。、

  先举一个同时同地发生的两件事的例子吧。比如说一个由两个球发生的碰撞,球我们认为是点状的哈,没体积的。

  那么这组同时同地发生的事情就是两件事:球A在时间T的时候到达空间位置X,球B在时间T的时候到达空间位置X。看,这是两件事啊。额。。好吧,不用数学语言。

  重球在比如刚才3点整的时候到达了碰撞位置,轻球也在3点整到达了碰撞的位置。于是俩球在3点整碰撞了对吧。

  这是两件事情哦。我们在描述一件事的时候都需要说,是谁,在哪里和哪个时间,发生了什么事。你看,重球是一件事,轻球是另一件事。这两件事的发生时刻都是3点整,发生地点是同一个地点。于是,这两件事是同时同地发生的。碰撞是另一件事,当然也发生在3点和同一个地方,这个例子其实可以说是三件事同时同地发生。。不过我们只看两个球的事件。

  地面上的老张说,俩球被同时放开,结果也同时坠落到地上。老杨说:no no no,我看到的是一个球先放开,另一个球再放开,最后也是先放开的球先落地。狭义相对论里,他们说的都对!!!

  我们说,对于同时同地发生的情况,任何惯性运动的观察者都会发现是同时同地发生的,也就是说:同地发生的同时,是绝对的。。。在这里绝对的意思就是,大家都认同。

  而对于不同地发生的同时事件,在其他观察者那里,可以不再是同时发生的!!我们说,这时候,同时是相对的而不再是绝对的了。“相对的”的意思是,取决于观察者的运动状态。

  有一列火车在惯性运行,火车外壳的中间位置画了一个标志(比如一条竖直的线)。火车上有个笑脸,地面上也有个笑脸,就站在铁轨旁面对火车。火车呼啸而过,忽然地面笑脸发现在火车中线刚经过自己后,两道闪电同时发生在自己左右侧,并在地上留下了痕迹。地面笑脸事后检查痕迹,发现自己站立位置正好是俩痕迹连线的中点!他测量了痕迹的距离,然后计算闪光信号传到自己这所需要的时间后发现,很巧,闪电发生的时候,正好也是火车中线经过自己的时候!还有巧合的事情,这两道闪电正好发生在火车的头部和尾部。

  靠,好复杂的描述,好吧,我简单地说这个例子:地面上铁轨旁的一个人,在飞驰而来的火车的中点经过自己的同时,发现两道闪电也同时轰击在火车的头尾部。

  我描述的好复杂,就是为了试图说清其中可能会引起的一些“误解”。比如简单的描述中,其实已经包括了地面人的一系列计算,扣除了闪光信号传递时间后,才得出“在中点经过自己的同时发生了两个闪电”。

  现在问,火车上坐在中点的一个人,观察到的这两个闪电,仍然是同时发生的吗?

  2,地面人接收到那两个光信号的时候,火车中线已经不在地面人的面前了,应该已经随着火车稍微前进了一点点。前进了多少?就是光信号传播到地面人的那段时间,乘以火车的速度。所以真实情况中,三件事是同时发生的:第一件事是车尾发生了闪电;第二件事是车头发生了闪电;第三件事是火车中线跟地面人位置“重合”。于是地面人宣称他观测到这三件事情是同时发生的,虽然他并没有同时看到这三件事发生。

  3,火车上的人,是怎么观测(注意没有用“看”)那两道光信号的呢?可以确定的是,那两道光信号相对于火车人的速度都是光速(光速不变)。于是火车人观测到,这两道光相对于地面人的速度第一不是光速,第二各不相等!这个问题的关键就是这儿!在自古以来的时空观里,火车人会仍然观测到这两道光相对于地面人的速度是光速,但这两道光相对于火车人自己却不是光速。相对论中不再这样。

  火车人观测到那两道光相对于地面人的速度不一致,一道快于光速,另一道慢于光速。如果这两道闪电是同时发生在车头车尾的话,那么肯定是一道光先到达地面人,另一道光后到达地面人。对吧。那意味着神马?意味着地面人是不可能同时接收到那俩光信号的!

  现在地面人说他是同时接收到那俩光信号,矛盾了不是?于是,反证法告诉我们,是那个“如果”是错的了:“如果这两道闪电是同时发生在车头车尾的话”。这就是说,如果地面人是同时接收到那俩光信号的话,那么火车人就会观测到那俩光信号不是同时发生的。

  哈,我用一个例子就举证了同时具有相对性了。额。。其实这个例子是老爱亲自设计出来的,好多科普书都用到了这个例子,特别是老爱自己写的那本科普书中,还挺详细的。

  这个例子告诉我们,如果两件事,一个观察者观测到是同时发生于不同地点,那么另一个观察者就会发生俩事不再是同时发生的了。反过来说,两件发生在异地的事,一个观察者观测到不同时发生的,那么必定有另一个观测者观测到是同时发生的。

  有余力的朋友还可以进一步分析,在这个例子中,火车人观测到哪个闪电先发生,哪个后发生,这两个闪电的发生时刻,与自己(他坐在火车中点位置)与地面人重合的时刻,有什么关系。

  同时的相对性,是相对论时空观与自古以来时空观之间的所有区别中,最根本或者最本质的体现。尺缩就可以用同时的相对性来说明,很简单。

  再设想这列火车很长很长,发生在头尾的闪电信号,要传播很长的时间才能到达地面人那里。当然这时候,地面人仍然是同时接收到这俩光信号的,火车人同样也观测到地面人同时接收到这俩信号,所以火车人仍然认为这俩闪电不同时发生。现在问,火车长度加长了,那么火车人认为这俩闪电发生的时间间隔(时间差)是不是更长了?答案是是的,火车人观测到的俩闪电时间差,正比于火车头尾之间的距离。

  好,同时的相对性就说这些吧,接着说说怎么用同时的相对性来解释尺缩。注意,我们在分析同时的相对性的时候,根本没用到尺缩和钟慢,所以就能拿同时的相对性来分析尺缩和钟慢了。这里就分析尺缩吧,毕竟钟慢在前面那个例子里可以很好地理解。

  火车人(老张)怎么测量火车长度?他安排两个人分别在头尾,约定好时间向他自己发射光信号。老张则站在火车中央,那么他就能同时接收到光信号。在0时刻(这时刻可以随意指定,但三人必须校准好)那俩人发射了。在某时刻老张接收到了俩信号。于是列车长度就是时间差和光速的乘积的2倍。

  这办法完全可行的对吧,但站在地面上的老杨说no,那方法是不可行的,测到的数字根本不是火车长度。为啥?韩度观测到那俩人是同时向自己发射信号的,但别忘了同时的相对性,这俩光信号在地面的老杨那里,不是同时发生的,而是一先一后向老张发射的!这怎么可以测到正确的长度呢?

  如果仔细分析过同时的相对性例子的话,就可以在这里分析出,老杨发现如果按照老张的方法去测,测出来的数字是大于(应该被正确测出的)火车长度的。这就是尺缩。

  在自古以来时空观的浸渍下,我们习惯了“客观事实(可以称作真相)只有一个”的观点。虽然这个说法是没错,但我们往往用“真相如何展现在我们面前”,来代替“真相”本身了。

  举个例子,这俩人之间距离是3米。这是个客观事实或者说真相,更应该说是真相展现在我们面前的方式,尤其是那个“3米”。我们习惯于自古以来时空观了,它说地面上的老杨是这么看的,就算汽车里的老张看这俩人,也是间距3米。“3米”这个数字,就这么成为一个被夹杂进真相的因素了。相对论说,真相仍然存在,但必须把“3米”这个数字给去掉,或者代替为另外一个更广泛的概念下(时空间隔)的数字。

  地面上的老杨发现那俩人间距3米,这是一个观测到的现象,对于老杨来说就是真实的。而老张呢,他观测到那俩货的间距比如说是2米,这也是个观测结果(虽然不同于莎儿的观测),对老张来说也是真实的。哪个“更真实”?这个问题就是扯淡的,不存在哪个更真实的情况。

  老杨和老张如果要各自进行一系列计算,那么他们只要把他们分别观测到的数据(老杨是3米,老张是2米)代入他们各自的公式里,就可以计算出各自的结果。这各自的结果在洛伦兹变换的作用下,是统一的。

  所以啊,相对论里,只要是自己观测到的结果,无论多么与别人不同,都是真实的。站在地面上的你观测到的是真实。其实。。。他们所观测到的所谓的真实,只不过是那个“真正的真实”的一个侧面而已。就像一个魔方放在桌上,一旁的我看到它的一个侧面,说是这个颜色的;另一个人站在另一个位置,他观测到的魔方的另一个侧面则是其他颜色的。我们观测到的现象是不同的,但却是同一个真实的不同侧面而已。

  所以,神马“火车的长度”啦,“抽烟的时间间隔”啦,都只是侧面!甚至连火车、抽烟这种我们熟悉的东西,都分别只是各自“真实”的一个侧面,不同运动观察者就好像站在不同的方位去观测这个真实一样,当然得到不同的侧面的数据了。嘿嘿,这个真实是啥?说不清,不过有一点可以确定,这个真实必然是四维的,其中三维是空间,一维是时间。

  现在我们知道,光速不变原理是根本,它揭示了我们自古以来的时空观是需要改变的。新的时空观,跟旧的之间的最关键的区别就在于如何看待“同时发生的两件事”。原本以为是同时发生的,新的时空观里很可能不再同时了。于是很多原本习以为常的许多事情(比如测量长度时所被忽略的一些细节),就可能因此而出现新的问题,这个结果就造成了尺缩钟慢。可以设计出许许多多这样的题目,说真的尺缩钟慢只是这些题目中比较典型的两道题而已。更多奇奇怪怪远离日常经验的情况存在在狭义相对论里面。

  光速为啥会不变,其实一方面来源于实验结果,比如那个MM实验,这属于“铁证如山”的。另一方面来源于“相对性原理”所涉及到的一些物理哲学方面的思考,以后还会继续这方面的思考,进而能分析出牛顿力学的时空观(自古以来时空观)中深深地隐藏着的一个内在矛盾,这个矛盾仍然隐藏在狭义相对论中。要解决这个矛盾,还是需要发展到广义相对论才行。

  接着说说质量吧,这玩意儿初中应该也说过了吧。三体里的光粒,印象都很深。它说,小质量的玩意儿只要加速度到很接近光速,就能拥有跟恒星匹敌的大质量。嗯,这也是狭义相对论里的一个结论,跟尺缩钟慢是一样类型的。

  我记得我初中时学到的“质量”的概念是:物体所含的物质的量。。。好吧,这里我要先说说质量的概念。初中这个概念嘛,一笑而过就行。

  其实我们更熟悉的是重量,一个物体重不重,很直观就能体验到了。在地球上,你就可以认为,越重的物体质量越大,质量可以看作一个与重量成正比的量。事实也正是如此,高中生们就知道,重量就是质量乘以重力加速度,对吧,重力加速度就是个常数嘛。当然,这种说法其实都是不准确的,但在地球范围内,可以认为是很精确了。

  大家或许有个体会,越重的物体,你越推不动。比如一个小乒乓球,很轻,你用手指轻轻一推它就跑出去了。但一个重重的铁球就没那么容易推出去了对吧。这里就记住,质量就相当于是重量。于是我们可以说,质量越大的,你越推不动。或者反过来说,你越推不动的物体,它质量就越大。

  这个说法还是不能很好地说明质量是神马。其实有一个很好的想法可以把质量给确定下来。初中生好好看这段哦,高中生也最好好好看一下,跟你们学的或许有点区别(这是大学里常用的“质量”的定义)。

  比如一个重石球和一个重铁球吧。两个人就可以做这个实验,比如一个是老张一个是老杨。老杨站在旁边拿着一个秒表,老张卷起衣袖准备卖苦力。我们商定好,老杨一声令下,老张立刻使出吃奶的劲去推动眼前的那个球。过了1秒钟(通过老杨手里的秒表来确定)后老杨皇喊停,老张立刻撤力,让那个球自己向前滚。老杨这时候以最快的速度测量这个球的速度。OK,分别对乒乓球和重铁球做这个实验,记录最终的两个速度值。

  可以想象,稍微轻的那个球肯定最后的速度会更大一些(如果是乒乓球的话,老张肯定会摔出翔)。所以,球的质量跟这个速度成反比。【下面适用于高中生:这个办法的原理是冲量定理,其实大学普通物理的力学里,力由“dP/dt”来定义,P是动量,t是时间。】

  质量大的物体,越推不动,这意味着啥?意味着质量是一种阻碍物体速度增加的玩意儿对吧。质量越大,这种阻碍的能力就越大。质量大到无限大,那么这种阻碍能力就是无限大,我们就根本无法让这物体的速度哪怕增加一点点。反过来质量如果等于0的话,那就说这物体没有这种“阻碍自己加速”的能力,那么稍微推一下下,它就能以非常高的速度PIU地飞走。

  要记住上面那个老张和老杨合作推重球的实验哦,这实验的结果可以认为,在这种情况下,质量可以看作就是实验结果--球最后的速度--的倒数。来,粗略地验证一下:速度越小,质量越大;速度越大,质量越小;速度=0,质量就无限大;速度=无限大,质量就是0。嗯嗯,很符合我们的直观嘛。

  这里要知道,这个实验里,我们把质量概念转换为时间、速度,还有老张的那个吃奶劲的概念的组合了对吧?好好理解这点。而这些概念中,特别是时间概念,在狭义相对论中可是改头换面了。那么可以想象,质量概念也是这样,会改头换面。

  顺便说一句,这样用秒表啊、尺子啊、力度啊神马的测量出来的质量,称作“惯性质量”。【惯性】是啥意思?就是“保持原本速度的那个本性”的意思。还有一种叫“引力质量”的概念,这玩意儿以后再说吧(一看就知道跟广义相对论有关)。狭义相对论中基本只考虑惯性质量。

  运动物体:长度缩短,时间变慢,质量变大。这三个效应,都跟一个系数有关系。这个系数我必须写出来:这个系数里,v是运动物体的相对于观测者的速度,c是光速。如果v大于光速会怎样?系数会是一个虚数!!初中生没学过虚数吧,但肯定知道,根号内必须是大于等于0的数字。v大于光速,那就是小于0了吧。

  所以说,不断听到人说超过光速时光会倒流。。。。现在知道了吧,超过光速,不是时光倒流,而是长度短成虚数,时间慢成虚数,质量变成虚数。这不意味着时光倒流。。。时光倒流是啥?是回到过去,但长度啥的还是一个实数。所以说超光速会时光倒流,扯淡。

  质量变大很好玩,直接的样子就是光粒。但是,光粒真的很“便宜”么?我们现在想象一下啊,我们不断对一个物体施力去增加它的速度(推,就是一种施力的方式)。随着这个物体的速度越来越大,我们观测到它的质量也越来越大,我们需要施加更大的力去推动它才能让它“速度增加的速度”不下降(保持同样的加速度)。终于,它的质量增加到很大很大,我们几乎怎么样也增加不了它的速度了,这时候它的速度十分接近光速。

  看,这也解释了为啥物体的速度不能超过光速。说到底,任何有质量的物体的速度,连光速都不能达到。达到了的话,它的质量是无限大。。。现实中不存在无限大的东西哦。

  狭相就写到这里,本人能力有限,写的不好,而且写的有些太长,不过狭相的问题想要讲清楚,多费些口舌是有必要的,如果只说它的结论,100个字内就能说完,很多人都很清楚,无非就算时间膨胀,质量膨胀,尺缩。可是知其然,还要知其所以然,相对论有很多反直觉的结论,光看它的结论是无法领略这个人类科学史上的珍宝的。





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