怎么理解狭义相对论的有关问题?

百度网友74aec8f
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我不知道你想解释的是什么具体问题,但是狭义相对论涉及的问题并不多。

一个是基础,一个是结论

基础分主要的三个方面,光速不变假设、惯性系上物理规律等价,运动是相对的

结论是不同惯性系上互相测量对方的时间和长度会发生变化,表现就是相对速度不为0时,互相观测对方的时间和长度都变小了。

 

首先解释一下基础依据的合理性:

 

光速不变假设,这是相对论中的重要基础之一,提出这一假设的原因受到了麦莫实验的启发。为了不纠缠光速为什么不变和光速是不是真的不变这些次要的问题,直接把光速不变作为假设更简捷。

假设是不需要证明对与错的,比如我们可以假设地球是静止的,尽管现代人都知道地球即自转又绕太阳公转,不是静止的,但是这样的假设不能算错误。我们也可以假设河水是静止的,河岸在向上游移动。

假设没有对错之分,只有合理不合理之分,合理的假设能大大简化问题,不合理的假设则反而使问题复杂化。假设的“对错”(其实没有对错之分)与结论的正确性没有必然的联系。

比如我们可以假设火车是匀速直线运动,这显然是“错”的,地球自转那么快,还要公转,就连太阳都在运动着,火车的真实轨迹是非常复杂的多种罗旋轨道叠加成的曲线。但是假设它是匀速直线运动的没有任何不妥。要是用火车的真实轨道来计算,那估计没人愿意那么做。

 

惯性系上的物理规律等价,这是从伽利略变换的启发得到的,加利略变换适用于力学,但是却和电磁理论不相洽,通常叫做不协变。但是设想一下在茫茫宇宙中,假如没有任何其他物体,只有一个地球,谁能知道地球在做什么运动呢?无论进行任何实验来测量,都只能得到一个结论,地球是静止的。如果不是地球,而是另一个天体,在没有任何其他参照物的情况下,那与只有一个地球有什么区别呢?仅仅需要给它改个名叫地球就行了,和上面的物理规律没任何关系。

 

运动是相对的,这个前提与第二个前提很接近或者说应该包含在第二个前提中。所以很多书上或文章中只说前两个前提基础。我在这里把它单列出来是因为这个前提在相对论中的地位极其重要,甚至超过了光速不变假设。很多人在相对论问题上感觉混乱和迷茫,原因就是这一个前提没明确。现在很多教科书上出的错误也与这个基础的不明确有关。

 

前提基础确定后,我们有了这样一些结论:

两个物体相对运动,互相看到只有三种情况,1、自己静止对方运动。2、对方静止自己运动。3、对方和自己都在运动。但是相互的相对运动的速度是相同的。A相对B运动的速度是v,B相对A的运动一定是v。

由于光速不变,观测到对方的时间会发生变化。

 

上图是两个相对运动的惯性系的互相观测情况,图中A相对O以速度v运动,B是A系统上的一点。

当A运动到与O重合的时刻,一光子从A射向B。

在A系统上看,光子的路径是ct' ,在O系统上看,光子的路径是ct ,并且在t时间内A移动了vt的距离。

三个长度的关系是:(ct')²+(vt)²=(ct)²,解出t'就得到:t'=t√(1-v²/c²)。

因为相对速度必须相等,所以vt的长度在A上看是vt',则vt'/vt=t'/t。

那么在A上看到的距离是vt'=S'=S√(1-v²/c²)。

我们回过来看一下图,发现,速度v的存在使O观测到的距离ct变长了,对A上观测到的ct'没有任何影响。所以,说明因为相对运动的原因,参照系上看到的对方时间变快,长度变长,所以乘上那个小于1的因子后才能得到对方的真实值。那个因子就叫相对论因子。

我们说对于参照系来说,一切以参照物上的观测为准,所以必须把观测到的时间当作真实时间,那么相对的说就是运动的系统上的时间变慢了,长度变短了。造成注意这个结论是相对参照系而言的。

 

这好像我们用放大镜看东西,我们通常东西被放大 了,原因是我们把光是直线传播的当作标准。虽然事实是光线发生了折射,造成我们观测到的物体义形了,但我们站在光没折射的立场上,说法就是东西变形了。要把相对性的说法与原理和真实的物理意义分清楚。

 

狭度相对论的内容不太多,上面是主要的内容了,其他的还有速度叠加等问题从上面的推导中自己就能推导出来了。这里只给出结果,就不进行推导了。速度叠加公式是:v=√(v1+v2-v1×v2/c²)。

 

其他需要说明的一些问题,不知道为什么现在很多书(包括一些大学教材)上把相对论变换改成了洛伦兹变换,造成了很多混乱。洛伦兹变换是一个自相矛盾的变换,是洛伦兹在试图用以太说和绝对时空观解释光速不变现象时所做的推导,结果是自相矛盾的,所以连洛伦兹本人也不承认这些推导有什么价值。不知道是什么原因被放进了现在的狭义相对论中代替了相对论变换。

洛伦兹变换的引入使狭义相对论的完整性被破坏了,因为相当于在同一个理论体系内使用了相互矛盾的假设。假设运动是相对的,同时假设运动不是相对的。

 

不过这是现在的书上的错误,并不说明相对论理论是错误的,因为根据相对论的理论很容易发现那些公式是错误的。

严伯钧
2019-02-14 · 跨界学霸,硬派科普
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严伯钧
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