看看這個(gè)你就會(huì)明白了.
狹義相對(duì)論是建立在四維時(shí)空觀上的一個(gè)理論,因此要弄清相對(duì)論的內(nèi)容,要先對(duì)相對(duì)論的時(shí)空觀有個(gè)大體了解.在數(shù)學(xué)上有各種多維空間,但目前為止,我們認(rèn)識(shí)的物理世界只是四維,即三維空間加一維時(shí)間.現(xiàn)代微觀物理學(xué)提到的高維空間是另一層意思,只有數(shù)學(xué)意義,在此不做討論.
四維時(shí)空是構(gòu)成真實(shí)世界的最低維度,我們的世界恰好是四維,至于高維真實(shí)空間,至少現(xiàn)在我們還無(wú)法感知.我在一個(gè)帖子上說(shuō)過(guò)一個(gè)例子,一把尺子在三維空間里（不含時(shí)間）轉(zhuǎn)動(dòng),其長(zhǎng)度不變,但旋轉(zhuǎn)它時(shí),它的各坐標(biāo)值均發(fā)生了變化,且坐標(biāo)之間是有聯(lián)系的.四維時(shí)空的意義就是時(shí)間是第四維坐標(biāo),它與空間坐標(biāo)是有聯(lián)系的,也就是說(shuō)時(shí)空是統(tǒng)一的,不可分割的整體,它們是一種”此消彼長(zhǎng)”的關(guān)系.
四維時(shí)空不僅限于此,由質(zhì)能關(guān)系知,質(zhì)量和能量實(shí)際是一回事,質(zhì)量（或能量）并不是獨(dú)立的,而是與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)相關(guān)的,比如速度越大,質(zhì)量越大.在四維時(shí)空里,質(zhì)量（或能量）實(shí)際是四維動(dòng)量的第四維分量,動(dòng)量是描述物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的量,因此質(zhì)量與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)有關(guān)就是理所當(dāng)然的了.在四維時(shí)空里,動(dòng)量和能量實(shí)現(xiàn)了統(tǒng)一,稱為能量動(dòng)量四矢.另外在四維時(shí)空里還定義了四維速度,四維加速度,四維力,電磁場(chǎng)方程組的四維形式等.值得一提的是,電磁場(chǎng)方程組的四維形式更加完美,完全統(tǒng)一了電和磁,電場(chǎng)和磁場(chǎng)用一個(gè)統(tǒng)一的電磁場(chǎng)張量來(lái)描述.四維時(shí)空的物理定律比三維定律要完美的多,這說(shuō)明我們的世界的確是四維的.可以說(shuō)至少它比牛頓力學(xué)要完美的多.至少由它的完美性,我們不能對(duì)它妄加懷疑.
相對(duì)論中,時(shí)間與空間構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維時(shí)空,能量與動(dòng)量也構(gòu)成了一個(gè)不可分割的整體——四維動(dòng)量.這說(shuō)明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯(lián)系.在今后論及廣義相對(duì)論時(shí)我們還會(huì)看到,時(shí)空與能量動(dòng)量四矢之間也存在著深刻的聯(lián)系.
物質(zhì)在相互作用中作永恒的運(yùn)動(dòng),沒有不運(yùn)動(dòng)的物質(zhì),也沒有無(wú)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng),由于物質(zhì)是在相互聯(lián)系,相互作用中運(yùn)動(dòng)的,因此,必須在物質(zhì)的相互關(guān)系中描述運(yùn)動(dòng),而不可能孤立的描述運(yùn)動(dòng).也就是說(shuō),運(yùn)動(dòng)必須有一個(gè)參考物,這個(gè)參考物就是參考系.
伽利略曾經(jīng)指出,運(yùn)動(dòng)的船與靜止的船上的運(yùn)動(dòng)不可區(qū)分,也就是說(shuō),當(dāng)你在封閉的船艙里,與外界完全隔絕,那么即使你擁有最發(fā)達(dá)的頭腦,最先進(jìn)的儀器,也無(wú)從感知你的船是勻速運(yùn)動(dòng),還是靜止.更無(wú)從感知速度的大小,因?yàn)闆]有參考.比如,我們不知道我們整個(gè)宇宙的整體運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因?yàn)橛钪媸欠忾]的.愛因斯坦將其引用,作為狹義相對(duì)論的第一個(gè)基本原理：狹義相對(duì)性原理.其內(nèi)容是：慣性系之間完全等價(jià),不可區(qū)分.
著名的麥克爾遜--莫雷實(shí)驗(yàn)徹底否定了光的以太學(xué)說(shuō),得出了光與參考系無(wú)關(guān)的結(jié)論.也就是說(shuō),無(wú)論你站在地上,還是站在飛奔的火車上,測(cè)得的光速都是一樣的.這就是狹義相對(duì)論的第二個(gè)基本原理,光速不變?cè)?
由這兩條基本原理可以直接推導(dǎo)出相對(duì)論的坐標(biāo)變換式,速度變換式等所有的狹義相對(duì)論內(nèi)容.比如速度變幻,與傳統(tǒng)的法則相矛盾,但實(shí)踐證明是正確的,比如一輛火車速度是10m/s,一個(gè)人在車上相對(duì)車的速度也是10m/s,地面上的人看到車上的人的速度不是20m/s,而是(20-10^(-15))m/s左右.在通常情況下,這種相對(duì)論效應(yīng)完全可以忽略,但在接近光速時(shí),這種效應(yīng)明顯增大,比如,火車速度是0.99倍光速,人的速度也是0.99倍光速,那么地面觀測(cè)者的結(jié)論不是1.98倍光速,而是0.999949倍光速.車上的人看到后面的射來(lái)的光也沒有變慢,對(duì)他來(lái)說(shuō)也是光速.因此,從這個(gè)意義上說(shuō),光速是不可超越的,因?yàn)闊o(wú)論在那個(gè)參考系,光速都是不變的.速度變換已經(jīng)被粒子物理學(xué)的無(wú)數(shù)實(shí)驗(yàn)證明,是無(wú)可挑剔的.正因?yàn)楣獾倪@一獨(dú)特性質(zhì),因此被選為四維時(shí)空的唯一標(biāo)尺.
愛因斯坦相對(duì)論
汽車是運(yùn)動(dòng)的,樹木是靜止的,這樣說(shuō)大家都能接受,但如果反過(guò)來(lái)說(shuō)樹木是運(yùn)動(dòng)的,汽車是靜止的則會(huì)有很多人說(shuō)你癡人說(shuō)夢(mèng).其實(shí)在物理學(xué)上這兩種說(shuō)法都是正確的,只是所選的參照系不同而已.這也是愛因斯坦偉大的相對(duì)論創(chuàng)建的基本出發(fā)點(diǎn).
相對(duì)論創(chuàng)建的第一個(gè)假設(shè)是：所有參照系都遵循相同的物理定律.無(wú)論在地上還是在勻速行駛的汽車上,用尺子量一個(gè)木板或用秒表量一個(gè)鐘擺晃動(dòng)10個(gè)周期的時(shí)間,結(jié)果都是相同的.但是如果木板或鐘擺在一個(gè)以一定速度駛過(guò)測(cè)量者面前的車上,重復(fù)上面的測(cè)量就會(huì)得到不同的結(jié)果.這種不同就是由所有參照系都遵循相同的物理定律造成的.
相對(duì)論創(chuàng)建的第二個(gè)假設(shè)是：光速在所有參照系中都是恒定的.剛一聽好像和第一條假設(shè)說(shuō)的是同一件事,可是仔細(xì)想想就會(huì)發(fā)現(xiàn)其中的奧妙.第二條假設(shè)的意思是無(wú)論你坐在飛馳的火車?yán)镞€是靜止的躺椅中,光速都保持恒定,和你所處的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān).原因就在于我們?cè)谔幚砣粘Ｎ锢砟繕?biāo)的速度時(shí)得到的都是合速度.例如你駕駛一輛時(shí)速為25千米每小時(shí)的越野吉普,一位乘客以相對(duì)你10千米每小時(shí)的速度用彈弓射擊前面的巖石,那么彈珠的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度就應(yīng)該是35千米每小時(shí).可是如果打開前車燈,按照常識(shí)光速是334,800,000千米每小時(shí),加上車的運(yùn)動(dòng)速度,光的實(shí)際速度就應(yīng)該是334,800,025千米每小時(shí),可實(shí)際測(cè)量光速還是334,800,000千米每小時(shí).為什么同樣的參照系光和實(shí)際物體得到的結(jié)果不同呢?
要解釋它首先要從速度的定義說(shuō)起.單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)的距離叫做速度,即速度是距離被時(shí)間除得到的.長(zhǎng)度收縮學(xué)說(shuō)認(rèn)為一個(gè)具有質(zhì)量的物體在它運(yùn)動(dòng)方向上的測(cè)量長(zhǎng)度是相對(duì)縮短的,達(dá)到光速時(shí)長(zhǎng)度相應(yīng)縮短為零.學(xué)說(shuō)成立的基礎(chǔ)是測(cè)量者和被測(cè)量物處于不同的參照系,且只發(fā)生在物體運(yùn)動(dòng)方向,不會(huì)影響和運(yùn)動(dòng)垂直方向的長(zhǎng)度.也就是說(shuō)當(dāng)你駕駛一輛速度接近光速的汽車時(shí),靜止的觀察者看到的車長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于它的實(shí)際車長(zhǎng),而高度方向沒有變化.這種情況反過(guò)來(lái)說(shuō),即當(dāng)你駕駛飛快的汽車通過(guò)一個(gè)門洞時(shí),從你的角度來(lái)看這段距離要比實(shí)際距離短得多.這種情況在日常生活中經(jīng)常被忽略不被注意是因?yàn)槲矬w運(yùn)動(dòng)速度都很慢,長(zhǎng)度收縮現(xiàn)象不明顯.時(shí)間和長(zhǎng)度一樣也會(huì)隨著參照系的變化而變化,這就是所謂的時(shí)間膨脹.隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加時(shí)間會(huì)相對(duì)變慢,一般情況下都比較微弱不易覺察,達(dá)到光速時(shí)時(shí)間會(huì)完全停止.但是這種現(xiàn)象也只有觀察者和時(shí)鐘不在同一參照系時(shí)才能發(fā)生,為了證明這一結(jié)論,兩個(gè)原子鐘被調(diào)節(jié)成完全相同,一個(gè)留在地球上,一個(gè)放在高速飛行的航天飛機(jī)上,當(dāng)飛機(jī)降落時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)飛機(jī)上的原子鐘要比地球上的原子鐘慢,慢的時(shí)間和由愛因斯坦相對(duì)論推算出來(lái)的結(jié)果相同.也就是說(shuō)航天飛機(jī)上原子鐘記錄的時(shí)間相對(duì)地球上靜止的原子鐘的時(shí)間膨脹了.
理解了近光速或等光速運(yùn)動(dòng)時(shí)的長(zhǎng)度和時(shí)間的變化,車頭燈光速的問(wèn)題就不難解釋了,因?yàn)楣膺\(yùn)動(dòng)和我們普通運(yùn)動(dòng)所涉及的距離和時(shí)間不同而已.
相對(duì)論還有一個(gè)重要的概念就是同時(shí)性,運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的不同會(huì)使人們觀察到物體動(dòng)作的先后順序不同,例如屋子中有兩盞燈,A站在兩盞燈中間,B以一定速度踩著滑板向一盞燈運(yùn)動(dòng)正好到達(dá)中間.當(dāng)兩燈同時(shí)打開時(shí)A看到的現(xiàn)象是兩燈同時(shí)亮,而B看到的卻是面對(duì)他的那盞先亮,背對(duì)他的那盞后亮.