怎樣用最簡單的方法介紹相對論?

未來探索菌


導讀:本文摘自獨立學者靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》。旨在幫助大家瞭解物理宇宙科普知識。

再來說說愛氏廣義相對論的建立:

1905年,愛因斯坦發表了關於狹義相對論的第一篇文章後(即《論動體的電動力學》),並沒有立即引起很大的反響。但是德國物理學的權威人士普朗克注意到了他的文章,認為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美,正是由於普朗克的推動,相對論很快成為人們研究和討論的課題,愛因斯坦也受到了學術界的注意。

1912年,愛因斯坦在聯邦工業大學當上了教授,1913年,應普朗克之邀擔任新成立的威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學教授。

在此期間,愛因斯坦在考慮將已經建立的相對論推廣,對於他來說,有兩個問題使他不安。

第一個是引力問題,狹義相對論對於力學、熱力學和電動力學的物理規律是正確的,但是它不能解釋引力問題。牛頓的引力理論是超距的,兩個物體之間的引力作用在瞬間傳遞,即以無窮大的速度傳遞,這與相對論依據的場的觀點和極限的光速衝突。

第二個是非慣性系問題,狹義相對論與以前的物理學規律一樣,都只適用於慣性系。但事實上卻很難找到真正的慣性系。從邏輯上說,一切自然規律不應該侷限於慣性系,必須考慮非慣性系。

狹義相對論很難解釋所謂的雙生子佯謬,該佯謬說的是,有一對孿生兄弟,哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行,根據相對論效應,高速運動的時鐘變慢,等哥哥回來,弟弟已經變得很老了,因為地球上已經經歷了幾十年。而按照相對性原理,飛船相對於地球高速運動,地球相對於飛船也高速運動,弟弟看哥哥變年輕了,哥哥看弟弟也應該年輕了。這個問題簡直沒法回答。實際上,狹義相對論只處理勻速直線運動,而哥哥要回來必須經過一個變速運動過程,這是相對論無法處理的。正在人們忙於理解相對狹義相對論時,愛因斯坦正在繼續完成廣義相對論。

1907年,愛因斯坦撰寫了關於狹義相對論的長篇文章《關於相對性原理和由此得出的結論》,在這篇文章中愛因斯坦第一次提到了等效原理,此後,愛因斯坦關於等效原理的思想又不斷髮展。

他以慣性質量和引力質量成正比的自然規律作為等效原理的根據,提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運動的參照系。愛因斯坦並且提出了封閉箱的說法:在一封閉箱中的觀察者,不管用什麼方法也無法確定他究竟是靜止於一個引力場中,還是處在沒有引力場卻在作加速運動的空間中,這是解釋等效原理最常用的說法,而慣性質量與引力質量相等是等效原理一個自然的推論。

直到1915年11月,愛因斯坦先後向普魯士科學院提交了四篇論文,在這四篇論文中,他提出了新的看法,證明了水星近日點的進動,並給出了正確的引力場方程。至此,廣義相對論的基本問題都解決了,廣義相對論誕生了。

1916年,愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論的基礎》,在這篇文章中,愛因斯坦首先將以前適用於慣性系的相對論稱為狹義相對論,將只對於慣性系物理規律同樣成立的原理稱為狹義相對性原理,並進一步表述了廣義相對性原理:物理學的定律必須對於無論哪種方式運動著的參照系都成立。

愛因斯坦的廣義相對論認為,由於有物質的存在,空間和時間會發生彎曲,而引力場實際上是一個彎曲的時空。愛因斯坦用太陽引力使空間彎曲的理論,很好地解釋了水星近日點進動中一直無法解釋的43秒。廣義相對論的第二大預言是引力紅移,即在強引力場中光譜向紅端移動,20年代,天文學家在天文觀測中證實了這一點。

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廣義相對論的第三大預言是引力場使光線偏轉,最靠近地球的大引力場是太陽引力場,愛因斯坦預言,遙遠的星光如果掠過太陽表面將會發生一點七角秒的偏轉。1919年,在英國天文學家愛丁頓的鼓動下,英國派出了兩支遠征隊分赴兩地觀察日全食,經過認真的研究得出最後的結論是:星光在太陽附近的確發生了一點七角秒的偏轉。

英國皇家學會和皇家天文學會正式宣讀了觀測報告,確認廣義相對論的結論是正確的。會上,著名物理學家、皇家學會會長湯姆孫說:“這是自從牛頓時代以來所取得的關於萬有引力理論的最重大的成果”,“愛因斯坦的相對論是人類思想最偉大的成果之一”。

愛因斯坦一下子成了新聞人物,他在1916年寫了一本通俗介紹相對論的書《狹義與廣義相對論淺說》,到1922年已經再版了40次,還被譯成了十幾種文字,廣為流傳。

愛氏相對論的意義,對於我們而言應該永遠銘記和傳授給下一代:

狹義相對論和廣義相對論建立以來,已經過去了很長時間,它經受住了實踐和歷史的考驗,是人們普遍承認的真理。

相對論對於現代物理學的發展和現代人類思想的發展都有巨大的影響。相對論從邏輯思想上統一了經典物理學,使經典物理學成為一個完美的科學體系。狹義相對論在狹義相對性原理的基礎上統一了牛頓力學和麥克斯韋電動力學兩個體系,指出它們都服從狹義相對性原理,都是對洛倫茲變換協變的,牛頓力學只不過是物體在低速運動下很好的近似規律。

廣義相對論又在廣義協變的基礎上,通過等效原理,建立了局域慣性場與普遍參照系數之間的關係,得到了所有物理規律的廣義協變形式,並建立了廣義協變的引力理論,而牛頓引力理論只是它的一級近似。這就從根本上解決了以前物理學只限於慣性系的問題,從邏輯上得到了合理的安排。

相對論嚴格地考察了時間、空間、物質和運動這些物理學的基本概念,給出了科學而系統的時空觀和物質觀,從而使物理學在邏輯上成為完美的科學體系。

狹義相對論給出了物體在高速運動下的運動規律,並提示了質量與能量相當,給出了質能關係式。這兩項成果對低速運動的宏觀物體並不明顯,但在研究微觀粒子時卻顯示了極端的重要性。因為微觀粒子的運動速度一般都比較快,有的接近甚至達到光速,所以粒子的物理學離不開相對論。質能關係式不僅為量子理論的建立和發展創造了必要的條件,而且為原子核物理學的發展和應用提供了根據。

對於愛因斯坦引入的這些全新的概念,當時地球上大部分物理學家,其中包括相對論變換關係的奠基人洛侖茲,都覺得難以接受。甚至有人說“當時全世界只有兩個半人懂相對論”。舊的思想方法的障礙,使這一新的物理理論直到一代人之後才為廣大物理學家所熟悉,就連瑞典皇家科學院,1922年把諾貝爾物理學獎授予愛因斯坦時,也只是說“由於他對理論物理學的貢獻,更由於他發現了光電效應的定律。”對愛因斯坦的諾貝爾物理學獎頒獎辭中竟然對於愛因斯坦的相對論隻字未提。(注:相對論沒有獲諾貝爾獎,一個重要原因就是還缺乏大量事實驗證。)

各位,以上就是關於愛氏狹義和廣義相對論創立的過程,愛氏完成了他的工作。但對於這個工作,我們相信,它還有值得被理解和完善的部分。引力不能量子化的問題,就是其中一個。我自己在《變化》裡也寫出了我的看法。在解釋廣義相對論的過程中,出現了問題。即引力不是時空彎曲的幾何表現,引力的本源是時空!和彎曲沒有關係。具體內容請看《引力的本源》一文。大家永遠記住,我們的問題永遠沒有最後一個!我們要走的路,也很長很長。

摘自獨立學者靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》


靈遁者國學智慧


關於相對論,關注科學的朋友應該不會陌生,它被譽為物理學史上最偉大的定理。那麼,這個神秘的相對論,究竟該如何簡單而通俗的理解它呢?

首先,我們要先知道,相對論是分為狹義相對論和廣義相對論。而這兩者講的是在不同的條件下,相對論的試用情況。

先說狹義相對論,試用於高速的條件下。這個高速不是指平常我們接觸的速度,比如賽車的速度,高鐵的速度等等,而是更加快的幾倍光速。狹義相對論認為光是承載時間的工具。舉個栗子:如果你處於某顆即將爆炸的星球上,而下一刻,你以光速遠離這顆星球,同時星球爆炸。那麼在你看來,星球是一直都處於爆炸的瞬間,因為爆炸的景象一直以光速向你飛來,而你也在以光速後撤,你們之間就是相對靜止的,也就是說你永遠看不到爆炸後的景象。此時,時間對於你來說就是靜止的。而對於我們沒有以光速後撤的人來說,時間又是流逝的,這就是狹義相對論的意思。

而廣義相對論,試用於宇宙天體之間。它描述引力不是原因,而是結果。簡單來說,可以把我們所在的時間和空間想象成一張懸在空中的毯子,如果在某處放上去一個天體,那麼大家都知道,由於質量的存在,此處的毯子會出現凹陷,這也就是天體會扭曲時空。而此時如果有另外一個物質從它旁邊經過,那麼就會順著凹陷趨向於天體,這也就是所謂的引力。所以引力並不是物體相互吸引的原因,而是物體相互吸引之後的結果。

在這裡還有一點要向大家說明一下,愛因斯坦認為,任何物體的速度都不可能超過光速,即便是你在一輛以接近光速飛馳的列車上,同時你以接近光速的速度向前奔跑,那麼你還是不能超過光速的。公式表達就是:

c=c+c

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爐邊老郭


這個問題其實就是廣大科普工作者所遇到最大的難題,但同時也是最應該做到的!將高深物理通俗化這件事情看起來很簡單,但是做最起來卻不是那麼容易。

通俗化的難點

很多人認為將物理通俗化很簡單,其實並不然。所謂通俗化在我的理解是將物理語言、物理原理、物理思想盡量以生活事例、語言表述出來,期間不涉及高深的數學推導以及難以理解的物理知識。



但是就是用生活語言這一點很難辦到,因為實話來說相對論適用的範圍是高速領域,它的一些物理現象本就是與生活相違背的,所以如果直接講物理原理,大多數讀者沒有相互基礎根本沒有興趣看下去。但是如果嘗試舉生活事例來通俗化,舉例又至關重要,因為要做到既能表述清楚,又不歪曲物理事實。

我的看法

我的工作就是科普,而且

我一直追求的就是沒有公式的通俗化科普。並且對於相對論的通俗科普我其實思考了很久。


相對論無非是分為狹義相對論和廣義相對論。而狹義相對論無非就是分為光速不變原理和相對性原理。而光速不變原理中最重要的就是讓大家如何理解伽利略變換和洛倫茲變換到底有什麼不同,所以我的想法就是通過簡單事例讓大家直觀清晰的感受到兩者之間的關係。然後我們再具體分別敘述兩者的不同!當然不會有太難的公式。



其他知識點我也會這麼做,因為知識點太多,這裡我不做過多敘述。剛好我在頭條開通了專欄,並且就準備開相對論通俗化的專欄,收費會很便宜。大家如果感興趣到時候可以訂閱下,相信不會讓你失望的!因為它會是我科普這麼多年來的智慧結晶。


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科學認識論


這是個謬論當道的大時代真科學被無情邊緣化了!別無知的認為愛因斯坦推翻了牛定律,那叫痴人說夢!相對論就是地心說的陰魂復活,它在自然真象面前就是一地亂雞毛!牛力學是幾千年人類認識自然的大集大成是對自然普適的規律的準確描述,誰俢正誰是倒黴蛋!相對論是個啥鬼不過是愛氏閉門造車的嬉耍猴子的唯心怪胎,宇宙的運動是絕對的何來的靜質量,相對論中的靜質量m0是怎麼確定的?世人從來不探究這個至命死結問題,都只會人云亦云的閉著眼睛說胡話,所以不反相對論就是真的不懂相對論,相對論的錯是根本之錯只能無情的剷除毫無俢正價值!物理學中的靜質量,動質量,光速上限統統是相對論杜撰的違背客觀自然規律的謬論謊言!


綠水青山48936175


非邀。

解釋相對論非常簡單。

只要你達到光速,你就可讓時間停止並且長命百歲。換句更讓人熟知耳聞的話就是說,只要你死了,就可以上天堂。相對論的高明之處,就是你永遠不可能證實,死無對證。


自由媒體


有一次我等紅燈,車停的穩穩的,實然感覺自己往前走了。仔細一看是旁邊的車溜車了。我覺的這就相對論的很好的描述。為什麼我明明沒動,卻感到向前走了?因為旁邊的車往後移了,相對於它來說我向前走了。還有毛澤東的詩句“坐地日行八萬裡”也是很好的說明,為什麼坐在地上沒動卻日行八萬裡?因為地球帶著你動,地球有自轉,還有公轉,你想像一下,你不但跟著地球轉,還繞著太陽轉,一點不帶停的。所以看你動沒動,主要看對誰而言。


心的方向222660675


相對論就是物質在不同的速度下表現出的性質不同。比如兩隻手表,一樣的時間,一隻放在地球表面,一隻放在超光速飛船上去旅行。一年後飛船返回地球,兩隻手表的時間會不一樣,地球上的手錶是中午十二點的話,飛船上的時間是早上六點。為什麼會這樣,因為速度的原因。在超光速飛船上由於組成手錶本身物質的電子運動速度最快是光速,但它在超光速飛船裡,物質無法像在地球上的時間內,按時將信息傳到指定的位置,傳動齒輪不能按時轉動推動指針,表現出來的結果,就是顯示的時間和地球上手錶不一樣,且是慢於地球上手錶的時間。


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