狹義相對論與廣義相對論的區別

如果問你狹義相對論與廣義相對論的分界線是什麼,相信大部分人的回答都是:狹義相對論與廣義相對論的區別在於,一個只能適用於慣性參考系,而另一個則是任意參考系都適用。

狹義相對論與廣義相對論的區別

請問這種回答有錯嗎?

如果我說這是錯的,或者說這個答案還不夠本質,相信有些朋友就會搬出教材來進行反駁,你看,書上清清楚楚的寫著呢,狹義相對論只適用於慣性參考系,而廣義相對論則是沒有禁忌。的確,這樣的回答確實存在於很多教材上面,而且這種觀點一度統治著相對論早期發展的歷史中,那時幾乎所有的物理學家都是以參考系來區狹義相對論與廣義相對論的。

狹義相對論與廣義相對論的區別

但隨著時間的推移,按照現代相對論學界的觀點,狹義相對論與廣義相對論的區別並非參考系的不同,而重點在於二者的背景時空,就好像在廣義相對論科普中,最為常見的一個句子就是“時空變的彎曲”,狹義相對論也有背景時空,那麼理所當然的就是平直時空了。

狹義相對論與廣義相對論的區別

實際上,上段說的內容雖然是加上了一個“現代相對論學界”的稱號,但實際上最早意識到這一點的物理學家早上世紀五六十年代就有了,但或許是相對論相對於另一大基礎科學——量子力學,實在太過冷門(也就是沒法在短期內產生可預計的實際好處),以至於這個更加本質的觀點至今都沒有被普及,甚至於教材上仍舊抱著以參考系為標準的老觀點。

當然了,雖然狹義相對論與廣義相對論的區別在於背景時空,但慣性系到非慣性系的推廣,仍舊是當初愛因斯坦要將狹義相對論推廣至廣義相對論的原始動力之一,並且慣性系到非慣性系的推廣成功也是在廣義相對論下完成的。

說到這,可能有些朋友會迷糊了,你剛才說二者的區別是背景時空,然後又說二者最初就是以參考系的推廣為先提的,那到底什麼才是正確答案啊。很簡單,我們要帶著發展的眼光去看問題,包括一個基礎理論的發展,背景時空只是一個相比於參考系是更加本質的看法,對於我們來說,一個被優化過的理論理應得到優先學習。

狹義相對論與廣義相對論的區別

舉一個簡單的例子,相信很多人都聽說過相對論中的雙生子佯謬問題,有一種解釋曾經非常廣泛,這個解釋說到:由於飛船需要先遠離地球,之後再返回地球,必定少不了加減速的過程,而狹義相對論無法處理加減速過程,因此雙生子佯謬的解決需要依靠廣義相對論,甚至於有些更進一步的解釋說到:飛船在加減速的過程中,由於廣義相對論的等效原理,加速場與引力場等效,因此飛船在加減速時,遭遇了引力場,所以必須要用廣義相對論。

狹義相對論與廣義相對論的區別

實際上,這種解釋的問題出在:加速場並不是引力場,等效原理說的是一個加速場與一個勻強引力場等效,而飛船產生的那種“引力場”根本不是勻強的。如果要用廣義相對論去反駁,則更為簡單,就一句話:飛船內部自始至終都沒有出現潮汐效應,因此飛船所處時空一直是平直的,屬於狹義相對論範圍。

狹義相對論與廣義相對論的區別

如果接受了這個觀點,那我們就要知道,對於一個相對論問題而言,最先要注意的一點是時空如何。那麼穿越時空,自然要更加註意這個時空的變化,畢竟物理學家惠勒(就是為蟲洞命名的那位)有句名言:物質告訴時空如何彎曲,而時空告訴物質如何運動。

該文為這兩篇文章的過渡 和


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