爱因斯坦的相对论如何理解?
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相对论结论是:超过光速,时间倒流,回到过去,也就是穿越时空。\x0d\x0a 爱因斯坦认为光速不可能达到和超过,因此不会有穿越时空。\x0d\x0a 普适相对论认为光速可以超过,但不会穿越时空。\x0d\x0a 相对论(英语:Theory of relativity)是关于时空和引力的理论,主要由爱因斯坦(Albert Einstein)创立,依其研究对象的不同分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。\x0d\x0a 基本简介\x0d\x0a 相对论(Relativity)的基本假设是相对性原理,即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论(Special Relativity)和广义相对论(General Relativity)的区别是,前者讨论的是匀速直线运动的参照系(惯性参照系)之间的物理定律,后者则推广到具有加速度的参照系中(非惯性系),并在等效原理的假设下,广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学,不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题;量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年,广义相对论提出于1915年(爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作,在1916年初正式发表相关论文)。\x0d\x0a 由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难,即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。因此,在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。\x0d\x0a 狭义相对论最著名的推论是质能公式,它说明了质量随能量的增加而增加。它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量,但它不是导致原子弹的诞生的原因。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞,与有些天文观测到的现象符合。\x0d\x0a 提出过程\x0d\x0a 绝对时空观\x0d\x0a 所谓时空观,即是有关时间和空间的物理性质的认识。伽利略变换是力学相对论原理的数学描述。它集中反映了经典力学的绝对时空观。\x0d\x0a 1.时间间隔与惯性系的选择无关\x0d\x0a 若有两事件先后发生,在两个不同的惯性系中的观测者测得的时间间隔相同。\x0d\x0a 2.空间间隔也与惯性系的选择无关\x0d\x0a 空间任意两点之间的距离与惯性系的选择无关。\x0d\x0a 可以看出,在经典力学中,物体的坐标和速度是相对的,同一地点也是相对的。但时间、长度和质量这三个物理量是绝对的,同时性也是绝对的。这就是经典力学的绝对时空观。\x0d\x0a 以太\x0d\x0a 十九世纪中叶,麦克斯韦建立了电磁场理论,并预言了以光速C传播的电磁波的存在。在十九世纪末,实验完全证实了麦克斯韦理论。整个宇宙空间充满一种连续介质叫做“以太”,光线和射电讯号是在以太中的波动。完整理论需要的是仔细测量以太的弹性性质,为此,哈佛大学建立了杰弗逊实验室,整个建筑不用任何铁钉,以免干扰磁测量,然而因策划者忽视了褐红色砖头中所含大量铁,预计实验无法如期进行。到世纪之末,开始出现了和穿透一切以太的观念的偏差,如果认为地球是在一个静止的以太中运动,那么根据速度叠加原理,在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样,但是实验否定了这个结论;如果认为以太被地球带着走,又明显与天文学上的一些观测结果不符。就此,人们发现,这是一个充满矛盾的理论。\x0d\x0a 两个基本假设\x0d\x0a 1.物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式。\x0d\x0a 2.在所有的惯性系中,光在真空中的传播速率具有相同的值C。\x0d\x0a 第一个叫做相对性原理。它是说:如果坐标系K'相对于坐标系K作匀速运动而没有转动,则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验,都不可能区分哪个是坐标系K,哪个是坐标系K′。\x0d\x0a 第二个原理叫光速不变原理,它是说光(在真空中)的速度c是恒定的,它不依赖于发光物体的运动速度。\x0d\x0a 从表面上看,光速不变似乎与相对性原理冲突。因为按照经典力学速度的合成法则,对于K′和K这两个做相对匀速运动的坐标系,光速应该不一样。爱因斯坦认为,要承认这两个假设没有抵触,就必须重新分析时间与空间的物理概念。\x0d\x0a 洛伦兹变换\x0d\x0a 经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设:\x0d\x0a 1.两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系。\x0d\x0a 2.两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。\x0d\x0a 爱因斯坦发现,如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的,那么这两条假设都必须摒弃。这时,对一个钟是同时发生的事件,对另一个钟不一定是同时的,同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中,测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等,距离也有了相对性。\x0d\x0a 如果设K坐标系中一个事件可以用三个空间坐标x、y、z和一个时间坐标t来确定,而K′坐标系中同一个事件由x′、y′、z′和t′来确定,则爱因斯坦发现,x′、y′、z′和t′可以通过一组方程由x、y、z和t求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c是方程的唯一参数。这个方程最早是由洛仑兹得到的,所以称为洛仑兹变换。\x0d\x0a 利用洛仑兹变换很容易证明,钟会因为运动而变慢,尺在运动时要比静止时短,速度的相加满足一个新的法则。相对性原理也被表达为一个明确的数学条件,即在洛仑兹变换下,空时变量x'、y'、z'、t'将代替空时变量x、y、z、t,而任何自然定律的表达式仍取与原来完全相同的形式。人们称之为普遍的自然定律对于洛仑兹变换是协变的。这一点在探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。\x0d\x0a 时间与空间的联系\x0d\x0a 此外,在经典物理学中,时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的,每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z,它们构成一个四维的刚性连续时空,通常称为明可夫基里平直时空。在相对论中,用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦以前,物理学家一直认为质量和能量是截然不同的,它们是分别守恒的量。爱因斯坦发现,在相对论中质量与能量密不可分,两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个著名的质量-能量公式:E=MC^2,其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明,微小的质量蕴涵着巨大的能量。在后来的核反应试验中证明了这一点。\x0d\x0a
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