高中生研究『相对论』可行么?需要通过什么途径来获取这方面的全部知识?
研究相对论需要的条件非常简单。
1、理解相对性原理,认识到一切事物都是相对的,或者是对立统一的。比如没有大就无所谓小,没有长就无所谓短。一张纸没有了正面的同时,也失去了背面。
2、有一定的抽象思维能力,比如能想象宇宙中假如只有一个质点,没有任何其他东西的时候,如何测量这个质点的速度。
3、理解一些基本的物理词汇,比如:“速度”是描述两个质点之间的距离变化快慢的物理量。一提到速度必须同时想到两个物体或两个抽象的质点。单独一个物体没有速度。比如要知道假如宇宙中没有其他天体,只有一个地球,那么地球的速度就没意义。
4、对没意义的理解,就是可以是任意想说是多少就是多少的意思。比如:0×任何数=0,所以:0/0=任意数。
5、彻底抛弃地心说和绝对论。现在很多人无法理解相对论的最终原因在于无法脱离地心说和绝对性的观念。
6、有小学5年级以上的语文水平(必须认识足够的字,方便查阅一些资料),有初中以上的数学知识,因为必须会一些简单的等式变换及必要的简单公式推导。
比如:F=ma,要会变成a=F/m,前面是力与加速度的关系,后面就是引力场公式:加速度=单位质量所受有引力,即加速度是引力场强度的值。
7、会联想,比如由3中的例子可以得出一个推论。坚定的认识到单独一个没有速度。任何单独的一个物体的速度都是0或者是任意的,因此所有的物体相对光的速度一定是c。
8、再进一步推演出:F=ma 变成能量转换公式就是FS=maS(力×距离=功,而功就是能量转换的数量),所以能得到:E=mv²。而单独一个物体没有速度,这里的v必然是一个相对任何物体都不变的速度,那就只能是c。因而得到 E=mc²的质能公式。
9、能作如下的联想:速度是相对的,因此:
相对步行者来说,地球的速度约1.3米/秒
相对某汽车来说,地球的速度约13米/秒
相对某飞机来说,地球的速度是130米/秒
相对某炮弹来说,地球的速度是1300米/秒
相对某空间站说,地球的速度约13000米/秒
相对某流星来说,地球的速度是130000米/秒
……
地球有无数的速度。
假如速度与时间相关,那么地球的时间如何确定?
10、能推导出时间公式,比如因为 v=at,所以t=v/a。前面说了,a是引力场强度的值,而单独一个物体没有速度,这里的速度是相对任何物体都不变的恒定值c。所以时间公式就是:t=c/a。由此就解释了为什么宇航员的表会比地面的表慢了一两分钟,因为飞船发射和返回时的强大加速度造成了时间变慢。
11、由10中的t=c/a 推论,宇宙中的虫洞(人们把宇宙中引力场强度为0的地方叫虫洞)处的时间无限快。
12、同样由10中的公式t=c/a 可推论:在奇点(人们把宇宙中引力强度无限大的地方叫奇点)处的时间静止。因此宇宙大爆炸前因为宇宙是一个奇点,所以没有时间。
……
13、学会用相对论的表达方式,比如说“高速运动的物体上的时间变慢”要注意这句话不是相对论的观点,只是被大多数人当成相对论的说法。前面说过单独一个物体没有速度,这才是相对论的观点,没的速度又何来的“高速”?。要知道洛伦兹变换的意义是解决相对运动速度很高的两个惯系之间的测量关系的变换因子,不代表改变了什么。由于光的特性(直线传播和光速不变)我们看到的物体是近大远小。如果用相对论的说法就应该说成是远处的物体变大了。因为要得到远处物体的真实尺寸要在测量到的尺寸上乘上大于1的因子。这与在测量到的高速运动的物体上的时间要乘一个小于1的因子一样,因为乘了小于1的因子就说它的时间变慢了,所以测量到远处物体的尺寸要乘一个大于1的因子就可以说成它的尺寸变大了。但是心里要明白,远处的物体本身并没变。
下面我们做一个简单的例题,来示意或者叫做一个简单的练习:
洛伦兹因子的简单推导。
上图中的A是相对O以速度v运动的惯性系,B是A系统上的一点(与A以同样的速度左移)。
当A运动到与O重合时,一光子从A射向B。
在A上看光子的路程是ct' ,在O上看光子的路程是ct ,并且在t 时间内A移动了vt的距离。
三者的关系是:(ct')²+(vt)²=(ct)²
通过简单的等式变换,就能得到t' 与t 的关系公式:t'=t×√(1-v²/c²)
其中的√(1-v²/c²)就是洛伦兹因子。
小议:
表面上看t' 要比t 小,因为洛伦兹因子小于1。但是从图中一看就知道了,v无论多快或多慢,对ct' 没任何影响,影响的只是O的测量值ct 。也就是说,当A相对O以很高的速度运动时,t' 会比测量到的t 小一些。
比测量到的时间慢不代表它变慢了,就像看远处的物体时,远处的物体比看到的大不代表它变大了。
建议书籍,《狭义相对论与广义相对论浅说》爱因斯坦写的。
不过有点难,要有一定基础才能看懂。
我个人推荐哈,从《时间简史》看着走,这样过渡一下。霍金写的。
霍金是本世纪对广义相对论造诣最深的物理学家。
不过还是以主课为重,在有时间的情况下可以看看。