Question

请问爱因斯坦的狭义相对论的内容是什么

Answer 1

爱因斯坦相对论
狭义相对论
爱因斯坦第二假设
爱因斯坦第二假设--时间和空间
伽玛参数
宇宙执法者的历险
宇宙执法者的历险--微妙的时间
质量和能量 光速极限
广 义相对论基本概念
爱因斯坦第三假设
爱因斯坦第四假设
宇宙几何
爱因斯坦第一假设
全部狭义相对论主要基于爱因斯坦对宇宙本性的两个假设.
第一个可以这样陈述：
所有惯性参照系中的物理规律是相同的
此处唯一稍有些难懂的地方是所谓的“惯性参照系”.举几个例子就可以解释清楚：
假设你正在一架飞机上,飞机水平地以每小时几百英里的恒定速度飞行,没有任何颠簸.一个人从机舱那边走过来,说：“把你的那袋花生扔过来好吗?”你抓起花生袋,但突然停了下来,想道：“我正坐在一架以每小时几百英里速度飞行的飞机上,我该用多大的劲扔这袋花生,才能使它到达那个人手上呢?”
不,你根本不用考虑这个问题,你只需要用与你在机场时相同的动作（和力气）投掷就行.花生的运动同飞机停在地面时一样.
你看,如果飞机以恒定的速度沿直线飞行,控制物体运动的自然法则与飞机静止时是一样的.我们称飞机内部为一个惯性参照系.（“惯性”一词原指牛顿第一运动定律.惯性是每个物体所固有的当没有外力作用时保持静止或匀速直线运动的属性.惯性参照系是一系列此规律成立的参照系.
另一个例子.让我们考查大地本身.地球的周长约40,000公里.由于地球每24小时自转一周,地球赤道上的一点实际上正以每小时1600公里的速度向东移动.然而我敢打赌说Steve Young在向Jerry Rice（二人都是橄榄球运动员.译者注）触地传球的时候,从未对此担心过.这是因为大地在作近似的匀速直线运动,地球表面几乎就是一个惯性参照系.因此它的运动对其他物体的影响很小,所有物体的运动都表现得如同地球处于静止状态一样.
实际上,除非我们意识到地球在转,否则有些现象会是十分费解的.（即,地球不是在沿直线运动,而是绕地轴作一个大的圆周运动）
例如：天气（变化）的许多方面都显得完全违反物理规律,除非我们对此（地球在转）加以考虑.另一个例子.远程炮弹并非象他们在惯性系中那样沿直线运动,而是略向右（在北半球）或向左（在南半球）偏.（室外运动的高尔夫球手们,这可不能用于解释你们的擦边球）对于大多数研究目的而言,我们可以将地球视为惯性参照系.但偶尔,它的非惯性表征将非常严重（我想把话说得严密一些）.
这里有一个最低限度：爱因斯坦的第一假设使此类系中所有的物理规律都保持不变.运动的飞机和地球表面的例子只是用以向你解释这是一个平日里人们想都不用想就能作出的合理假设.谁说爱因斯坦是天才?
爱因斯坦第二假设
19世纪中页人们对电和磁的理解有了一个革命性的飞跃,其中以詹姆斯.麦克斯韦（James Maxwell）的成就为代表.电和磁两种现象曾被认为毫不相关,直到奥斯特（Oersted）和安培（Ampere）证明电能产生磁；法拉弟（Faraday）和亨利（Henry）证明磁能产生电.现在我们知道电和磁的关系是如此紧密,以致于当物理学家对自然力进行列表时,常常将电和磁视为一件事.
麦克斯韦的成就在于将当时所有已知的电磁知识集中于四个方程中：
（如果你没有上过理解这些方程所必需的三到四个学期的微积分课程,那么就坐下来看它们几分钟,欣赏一下其中的美吧）
麦克斯韦方程对于我们的重要意义在于,它除了将所有人们已知的电磁知识加以描述以外,还揭示了一些人们不知道的事情.例如：构成这些方程的电磁场可以以振动波的形式在空间传播.当麦克斯韦计算了这些波的速度后,他发现它们都等于光速.这并非巧合,麦克斯韦（方程）揭示出光是一种电磁波.
我们应记住的一个重要的事情是：光速直接从描述所有电磁场的麦克斯韦方程推导而来.
现在我们回到爱因斯坦.
爱因斯坦的第一个假设是所有惯性参照系中的物理规律相同.他的第二假设是简单地将此原则推广到电和磁的规律中.这就是,如果麦克斯韦假设是自然界的一种规律,那么它（和它的推论）都必须在所有惯性系中成立.这些推论中的一个就是爱因斯坦的第二假设：光在所有惯性系中速度相同
爱因斯坦的第一假设看上去非常合理,他的第二假设延续了第一假设的合理性.但为什么它看上去并不合理呢?
火车上的试验
为了说明爱因斯坦第二假的合理性,让我们来看一下下面这副火车上的图画. 火车以每秒100,000,000米/秒的速度运行,Dave站在车上,Nolan站在铁路旁的地面上.Dave用手中的电筒“发射”光子.
光子相对于Dave以每秒300,000,000米/秒的速度运行,Dave以100,000,000米/秒的速度相对于Nolan运动.因此我们得出光子相对于Nolan的速度为400,000,000米/秒.
问题出现了：这与爱因斯坦的第二假设不符!爱因斯坦说光相对于Nolan参照系的速度必需和Dave参照系中的光速完全相同,即300,000,000米/秒.那么我们的“常识感觉”和爱因斯坦的假设那一个错了呢?
好,许多科学家的试验（结果）支持了爱因斯坦的假设,因此我们也假定爱因斯坦是对的,并帮大家找出常识相对论的错误之处.
记得吗?将速度相加的决定来得十分简单.一秒钟后,光子已移动到Dave前300,000,000米处,而Dave已经移动到Nolan前100,000,000米处.其间的距离不是400,000,000米只有两种可能：
1、 相对于Dave的300,000,000米距离对于Nolan来说并非也是300,000,000米
2、 对Dave而言的一秒钟和对Nolan而言的一秒钟不同
尽管听起来很奇怪,但两者实际上都是正确的.
爱因斯坦第二假设
时间和空间
我们得出一个自相矛盾的结论.我们用来将速度从一个参照系转换到另一个参照系的“常识相对论”和爱因斯坦的“光在所有惯性系中速度相同”的假设相抵触.只有在两种情况下爱因斯坦的假设才是正确的：要么距离相对于两个惯性系不同,要么时间相对于两个惯性系不同.
实际上,两者都对.第一种效果被称作“长度收缩”,第二种效果被称作“时间膨胀”.
长度收缩：
长度收缩有时被称作洛伦茨（Lorentz）或洛伦茨－弗里茨格拉德（FritzGerald）收缩.在爱因斯坦之前,洛伦茨和弗里茨格拉德就求出了用来描述（长度）收缩的数学公式.但爱因斯坦意识到了它的重大意义并将其植入完整的相对论中.这个原理是： 参照系中运动物体的长度比其静止时的长度要短下面用图形说明以便于理
上部图形是尺子在参照系中处于静止状态.一个静止物体在其参照系中的长度被称作他的“正确长度”.一个码尺的正确长度是一码.下部图中尺子在运动.用更长、更准确的话来讲：我们相对于某参照系,发现它（尺子）在运动.长度收缩原理指出在此参照系中运动的尺子要短一些.
这种收缩并非幻觉.当尺子从我们身边经过时,任何精确的试验都表明其长度比静止时要短.尺子并非看上去短了,它的确短了!然而,它只在其运动方向上收缩.下部图中尺子是水平运动的,因此它的水平方向变短.你可能已经注意到,两图中垂直方向的长度是一样的.
时间膨胀：
所谓的时间膨胀效应与长度收缩很相似,它是这样进行的：
某一参照系中的两个事件,它们发生在不同地点时的时间间隔
总比同样两个事件发生在相同地点的时间间隔长.
这更加难懂,我们仍然用图例加以说明：
图中两个闹钟都可以用于测量第一个闹钟从A点运动到B点所花费的时间.然而两个闹钟给出的结果并不相同.我们可以这样思考：我们所提到的两个事件分别是“闹钟离开A点”和“闹钟到达B点”.在我们的参照系中,这两个事件在不同的地点发生（A和B）.然而,让我们以上半图中闹钟自身的参照系观察这件事情.从这个角度看,上半图中的闹钟是静止的（所有的物体相对于其自身都是静止的）,而刻有A和B点的线条从右向左移动.因此“离开A点”和“到达B点”着两件事情都发生在同一地点!（上半图中闹钟所测量的时间如果你原本不糊涂,那么希望你现在也不.
质量和能量
除了长度收缩和时间膨胀以外,相对论还有许多推论.其中最著名、最重要的是关于能量的.
能量有许多状态.任何运动的物体都因其自身的运动而具有物理学家所谓的“动能”.动能的大小和物体的运动速度及质量有关.（“质量”非常类似于“重量”,但并不完全相同）放在架子上的物体具有“引力势能”.因为如果架子被移掉,它就（由于引力）具有获得动能的可能.
热也是一种形式的能,其最终可以归结于组成物质的原子和分子的动能,此外还有许多其他形式的能.
把上述现象都和能量联系起来的原因,即它们之间的联系,是能量守恒定律.这个定律是说,如果我们把宇宙中全部的能量都加起来（我们可以用象焦耳或千瓦时这样的单位定量地描述能量）,其总量永不改变.此即,能量从不会产生或消灭,尽管它们可以从一种形态转化为另一种形态.例如,汽车是一种可以将（在引擎的汽缸中的）热能转化为（汽车运动的）动能的设备；灯泡（可以）将电能转化为光能（这又是两种能的形式）.
爱因斯坦在他的相对论中发现了能量的另一种形式,有时被称作“静能量”.我已经指出一个运动物体由于其运动而具有了能量.但爱因斯坦发现,同样一个物体在其静止不动的时候同样具有能量.物体内静能量的数量依赖于其质量,并以公式E＝mc2给出.
由于光速是如此之大的一个数,一个典型物体的静能量与其所具有的其他类型的能量根本不可相提并论.但这并不重要,因为日常生活中物体的静能量就是保持“安静”的状态,并且不会被转化成我们可以注意到的其他形式的能,如热能或动能.在核电站、原子武器和太阳中有相对很少一部分静质量被转化为其他形式的能,但对于大多数情况而言,静能量通常不会被注意到.
一个物体的动能和静能量的总和也可以用数学公式非常容易地表述如下：
E＝mc2γ
注意,在日常的速度中,γ大约等于1.因此静、动能量之和近似等于单一的静能量.换句话说,在日常速度中,静能比动能大得多.然而,当速度非常接近光速时,γ可以比1大很多（静能量只与物体的质量有关,而与其运动与否无关）.这对于在芝加哥附近的费米实验室和瑞士边界的CERN实验室中（使用）粒子加速器的物理学家来说非常重要.
光速极限
在读AD历险记中,你可能注意到AD的速度几乎是,但并不等于光速.这似乎有很充分的理由：远低于光速的速度相对论效应不显著.然而实际情况是超光速在物理学中是不可能的.
我会告诉你这是为什么.假想AD奋力想将他的飞船加速到光速.好,我们已经知道物质的能量与γ参数成比例,这在相对论计算中太普遍了.但你现在也会知道当物体的运动速度等于光速时,γ参数将变为无穷大.因此,为了让AD的飞船加速到光速,他将需要无穷大的能量.这显然是不可能的.因此尽管对于一个物体可以以多么接近光速的速度运动并无限制,但任何有质量的物体都不可能达到光速.实际上,没有质量的物质必须以光速运动,在此我不想讨论其原因.唯一的一种没有质量的物质是光（被称作“光子”）,或许还有中微子（不久前已经证实,中微子有质量.译者）
还有其他物体不能朝光速运动的原因.其中之一与“因果性”有关.假设我投出一个垒球并打碎了一扇窗户,那么“我投出球”就是“窗户被击碎”的原因.如果超光速是可能的,那么一定会有某种参照系,其中“窗户被击碎”先于“我投出球”发生.这导致各种逻辑冲突（特别是当窗户已经碎了之后又有人截获了飞行中的球,阻止了窗户被击碎!）因此我们将物体能超光速运行这种可能性排除了.更进一步,因果性排除的不仅是朝光速运动,更排除了任何超光速通讯.
光速,就我们所知而言,是一道不可逾越的障碍.
如果你和我一样是个科幻迷,这将是一个坏消息.几乎可以肯定,在除地球之外的太阳系中不存在有智慧的生命.然而恒星间的距离太远了!我们即使以光速运行,到达最近的恒星也要花上4年时间.所以没有比光快的交通手段,将很可能无法在银河系中游荡并与异型文明相遇,为争夺银河系的帝位而站,等等.
另一方面,由于长度收缩,或许情况并非那样令人绝望.假设你登上一条飞船,以接近光速飞往10光年以外的一颗恒星.从地球的参照系看来,这个旅行将持续10年.然而对于这次旅行中的乘客而言,长度缩短了.因此这个旅行只用了不到10年的时间.并且飞船飞行得越接近光速,（相对于地球和恒星的）长度收缩得也越多（你也可以从时间膨胀的角度考虑这个问题）.
为了说明这点,这里有一个表,标明以不同的速度到达不同目的地所需要的时间.让我解释一下它们的含义：
首先,为了能产生显著的长度缩短,我们必须非常接近光速.因此我假设在旅行中飞船可以产生一个稳定的加速度.这也就是说,飞船内的人将感受到一个连续的加速度.例如,前半程以1g（g为地球的重力加速度.译者）加速,后半程以1g减速.
第二列以光年为单位给出了地球距离我们目的地的距离（一光年是光在一年内传播的距离,大约是6万亿英里）.我加入了三种不同加速度的计算,一种较小,另一种较大；剩下的一种与地球的重力加速度相等.加速度为2g的旅行可能会非常不舒服,因此或许你根本不用再考虑所有比这更大的速度.
第四列列出了最大速度（在中点处,当飞船正要转入减速运动时）与光速的比值.最后两列给出了旅行所需要的时间.首先以地球为参照系,然后以飞船为参照系.其中的差别很重要.我的意思是,如果说你乘飞船以2g的加速度飞往猎户座,在你到达猎户座之前要在飞船上渡过6.8年的时间.（尽管距离很远,但“飞船时间”增加得非常慢.这是因为距离越大,在开始减速前你越能接近光速飞行,因此你得到的长度收缩越多!）但当你到达那里的时候,地球上已经过500多年了.你到达猎户座后所发出的任何信息都将在500年后到达地球,回信也是如此.因此如果人类有一天能漫步在银河系之中,不同居住点之间将处于隔绝状态.地球上的人不可能以任何常规方式同猎户座附近的人交谈.
为建造一艘可以像这样无限加速的飞船,现在看来有无穷的技术困难.这些困难可能会被证实是不可克服的,那么我们就只能在幻想的空间遨游；但如果它们是可以克服的,并且如果我们人类可以活得足够长以克服它们,那么我刚才所描述的正是依据狭义相对论的理论上（可行的）远程宇宙旅行.
当然,许多科幻小说仍然加入了超光速飞行.但它们也常常不得不在其中引入一些奇怪的概念,如：“（时空）扭曲”、“超时空”.最终的情况是：就我们今天所知的时、空而言,超光速飞行是不可能的.但如果你喜欢,你总可以寄希望于某种时空的“窗口”或一个全新的,允许物体超光速运动的物理分枝被发现.
那样,我们就可以着手建立一个大银河帝国了!
广义相对论—— 一个极其不可思议的世界
广义相对论的基本概念解释：
在开始阅读本短文并了解广义相对论的关键特点之前,我们必须假定一件事情：狭义相对论是正确的.这也就是说,广义相对论是基于狭义相对论的.如果后者被证明是错误的,整个理论的大厦都将垮塌.
为了理解广义相对论,我们必须明确质量在经典力学中是如何定义的.
质量的两种不同表述：
首先,让我们思考一下质量在日常生活中代表什么.“它是重量”?事实上,我们认为质量是某种可称量的东西,正如我们是这样度量它的：我们把需要测出其质量的物体放在一架天平上.我们这样做是利用了质量的什么性质呢?是地球和被测物体相互吸引的事实.这种质量被称作“引力质量”.我们称它为“引力的”是因为它决定了宇宙中所有星星和恒星的运行：地球和太阳间的引力质量驱使地球围绕后者作近乎圆形的环绕运动.
现在,试着在一个平面上推你的汽车.你不能否认你的汽车强烈地反抗着你要给它的加速度.这是因为你的汽车有一个非常大的质量.移动轻的物体要比移动重的物体轻松.质量也可以用另一种方式定义：“它反抗加速度”.这种质量被称作“惯性质量”.
因此我们得出这个结论：我们可以用两种方法度量质量.要么我们称它的重量（非常简单）,要么我们测量它对加速度的抵抗（使用牛顿定律）.
人们做了许多实验以测量同一物体的惯性质量和引力质量.所有的实验结果都得出同一结论：惯性质量等于引力质量.
牛顿自己意识到这种质量的等同性是由某种他的理论不能够解释的原因引起的.但他认为这一结果是一种简单的巧合.与此相反,爱因斯坦发现这种等同性中存在着一条取代牛顿理论的通道.
日常经验验证了这一等同性：两个物体（一轻一重）会以相同的速度“下落”.然而重的物体受到的地球引力比轻的大.那么为什么它不会“落”得更快呢?因为它对加速度的抵抗更强.