相对性原理,伽利略相对性原理,狭义相对性原理,广义相对性原理。各有什么特点?

刘云成1021


斗胆说一下这几个概念的含义,如有错误,欢迎指正。[呲牙]

相对性原理是什么意思呢?意思是在不同的坐标系里,速度也是不同的。

比如说我站在岸边,看见有一艘船从左往右游了过去,船上有一个人在跑步,从船尾跑到了船头。

那如果从我做参考,船上的人和船都是在向右走。但是从船的角度来看,我是在向左走的 床上的人生是向右走的。

这就是相对性原理,运动都是相对来说的。还是上面的例子,假如船的速度是5米每秒,船上的人的速度是1米每秒。那对于我来说,床上的人的速度是多少呢?[what]

很简单,就是船的速度,加上那个人跑步的速度,6米每秒。这就是一个伽利略变换,对新的参考系来说,物体速度等于这个参考系,相对于旧参考系的速度,加上物体相对于旧参考系的速度。

可能有点绕啊,已经尽可能说的简单[捂脸]。如果可以理解,我们想一个问题。光速是不是不可超越的?

如果上面的结论成立,那光速完全可以被超过。假设我和小明站在一起,小明屁股底下坐着一个火箭,手里拿着一个手电筒。等到一声令下,小明就会把手电筒打开,同时火箭也开始发动了。

这样一来,火箭筒对我的速度是多少?是不是手电筒里发出的光的速度,再加上火箭筒的速度。这,不就超光速了?[震惊]

但是没有,奇怪的事情发生了。在我测了一下小明手电筒里光的速度后,发现速度没有变。而如果我也拿着一个手电筒,和小明同时开灯,光线居然是同时到达的,虽然他坐在火箭上,理论上应该比较快。[吐血]

这个例子说明一个定理,不管在那个参考系 光速都是一样的。那怎么解释上面的现象呢?爱因斯坦说 答案就是,对于小明,他的时间变慢了![耶]

光速一致性原理,不管在谁看来,光速都是一样的。这就是狭义相对论的一条基本理论,可以根据这个原则 推导出一些理论。

比如说,速度快的物体,时间就会变慢,这就是钟慢效应。另外还有一个现象,速度快的物体,长度会变短,免得答案太长 就不说了。[黑线]

简单说了下狭义相对论,那么广义相对论说了什么?广义相对论说,引力就是加速度。

假设宇宙里有一个大圆盘,这个圆盘一直在旋转。如果我们站在圆盘的边缘,就会发现一个问题。当我们想往中心走的时候 就会被离心力甩开,好像受到了重力一样。

这个现象也可以这么解释,是因为圆盘的边缘有引力,所以我们,想往中心部分靠近,就会受到引力作用。这个引力是怎么产生的呢?是因为圆盘在旋转想,所以有了加速度。

因此,引力和加速度其实是一个东西。而且根据这个例子,还能得出一个结论,时间和空间都是会弯曲的。[灵光一闪]

假设我们从圆盘的中心,慢慢朝着边缘走,就会发现一个现象。因为越靠近边缘,速度就会越快,所以根据狭义相对论,时间就变慢了,而且我们受到的引力也会越强。

那就可以得出一个结论,是变强的引力导致了时间变慢。现在拿一根尺子去量圆盘的半径,和他的周长。由于圆盘在旋转的方向速度快,所以我们的尺子会变短,量出来的圆周会长一点。[嘘]

但是半径方向,圆周没有运动,所以尺子的长度没有变。这样算出来的圆周率,就比3.14大。圆的圆周率什么时候会大于派呢?有,除非它所在的空间是弯曲的,比如在画球面上的圆,圆周率是大于派的。[思考]

这说明了一个现象,这个圆盘处在的空间是弯曲的。而且是因为引力弯曲的,引力越大,就会弯曲的越厉害。也可以这么说,引力实际上,就是弯曲的空间。

不知道写了这么多,大家能稍微理解一点嘛[大笑]

推荐一本科普书,《时间的形状》,里面说的详细的多了。谢谢大家,能看到这里。





luoyeah


相对性原理是力学的基本原理。以参照物为原点建立坐标系,无论静止系还是运动系空间的各向都是平等的,空间上的任一点是不动的,运动系中的1米与静止系中的1米相同。

伽利略相对性,指经典力学定律在任何惯性参考系(惯性系)中数学形式不变,力学规律在所有惯性坐标系中是等价的。

伽利略相对性原理的经典力学的坐标系是惯性系

狭义相对性原理,指一切物理规律在任何惯性系中具有相同的数学形式,是伽利略相对性原理的推广。它的坐标系是除了非惯性系以外的所有坐标系。

广义相对性原理,指一切客观的真实的物理规律,在任意坐标系下均有效。

四种相对性原理的区别和发展,是物理规律适用坐标系的区别和发展。


科学趣谈菌


关于物体运动的相对性,其并不是绝对一成不变的。根据不同的情况,有许多不同的相对性概念,它们是需要予以澄清。

首先,不同的物理背景,对物体运动的影响是不一样的。比如,在水中游泳🏊‍♀️和在空气中行走,两者的阻力即它们的相对效应是不同的。

其次,相对于物理背景的运动和相对于其他单个物体的运动,也是不一样的。前者具有实际的物理意义,而后者则仅只是表观的相对运动。比如,我们跑步🏃时会产生风阻,而相对于傍边行人🚶‍♀️的运动却并没有任何实际的影响。

最后,即便是相对于物理背景的运动,低速时,主要是加速度影响较大;而速度的影响则主要是在高速时才是不可忽略的。

有了以上的预备知识,我们就可以比较清楚地了解各种不同的相对性原理,知道它们的基本含义和具体区别是什么了。

伽利略为了使地球🌍的运动与物体垂直下落现象相协调,其首先提出了相对性原理。伽利略认为,只要没有加速度,我们就无法分辨自己是否处于运动的状态。比如,人在船舱内,就无法判断船🚢是否在航行。

根据刚才我们对相对性概念的最后一个分析,伽利略的相对性原理是在低速情况下的经典相对性原理。在低速的情况下,即便是作为物理背景的参照系,其与其他的表观参照系一样,都对物体的运动没有什么影响,可以近似地认为相对于所有参照系的运动都是没有阻力的。

当爱因斯坦面对迈克尔逊-莫雷实验的零结果和双星实验光的频率具有周期性变化时,他为了化解这一对矛盾现象,使光速时而相对于光源以c运动和光速时而又相对于空间以c运动统一起来,提出了狭义相对性原理。

根据狭义相对性原理,所有的参照系都是完全等价的。每一个参照系中的物理公式和常数都是相同的,所以光速具有不变性。

然而,毕竟同一束光的状态是唯一的,其相对于不同速度的参照系具有不同的速度。为了使光速满足其不变性,爱因斯坦将不同参照系上度量速度的时间和距离尺度进行了相应的调整。这就是相对论的尺缩和时间变慢效应。

这就好比一个人在不同的年龄段,其身高和体重都是变化的。为了保持其不变性,就需要我们在不同的时间选用不同刻度的尺子和体重计进行度量。

通过上述分析,我们可以看出以上两种相对性原理的区别了。

伽利略的经典相对性原理是低速情况下的近似,物理背景和表观参照系虽有本质的不同,但是在低速的情况下是可以忽略它们彼此之间的差异的。

而爱因斯坦狭义相对性原理则是绝对的,不存在任何特殊的参照系,也没有什么具体的物理背景。由此产生了双生子佯谬,我们无法判断究竟哪一个兄弟👬更年轻一些。所以,所谓的相对性效应,其仅只是表观的度量,并不具有任何实际的物理意义。

至于广义相对性原理,是指由加速度产生的惯性力和两物质之间的万有引力是彼此等价的,它们在本质上完全相同。用科学的术语来说,就是惯性质量等于引力质量。

比如,地球的重力和人体乘坐电梯时的加速度,是无法分辨的,它们具有相同的效应。由此,爱因斯坦将万有引力归结为空间的几何弯曲。这就好比顺水漂流,将船的运动归结为水流,而不是船的自身动力。

综上所述,伽利略的相对性原理和爱因斯坦的相对性原理,都是认为相对速度并没有什么具体的物理影响。只是,前者是不同参照系的近似相同,后者则是不同参照系的绝对平等。

而广义相对性原理与前两个相对性原理都有所不同,其引入了非惯性系,将惯性力与万有引力等同了起来,从而使我们的认识在一定的程度上获得了统一。


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