狭义相对论到底怎么理解
狭义相对论可以看作相对论的生分表达形式。
广义相对论则是相对论的积分结果。
相对论的创立缘于人们寻找以太失败。
在此以前人们一直相信宇宙中存在一种绝对静止的物质——以太,是一切运动的介质,光就是在以太中传播的。
由于地球在自转,所以认为我们地球表面相对以太的速度应该是各个方向不同的,假如光在以太中的速度是不变的,那么在各个方向上相对光的速度也不同。但是麦克尔逊-莫雷实验却没有测量到不同方向上的光速有任何变化。
这说明无论我们的速度是多少,相对光的速度都不变。
所以麦-莫实验的失败不是一个简单的失败,还给物理学带来了一个严重的现实,速度的叠加原理是错的。
一直以来我们坚信不移的速度叠加原理突然被发现是错误的了,那么所有建立在这一理论基础上的物理理论也都必然是错的。
但是人们以然感觉不可思义,很多科学家物理学家都纷纷想办法解释或者猜测实验中有什么地方搞错了。但是所有的类似的重复实验也无例外的得到相同的结果。这说明如果没有其他的参照物,我们就无法确定速度。单独一个物体就没有了速度的概念。
洛伦兹试图用速度的叠加的观测效应来解释为什么测量不到光速的变化,他建立了一个思维实验模型。
A是相对O以速度v运动的惯性系。A上放一个电子钟,以光子在AB之间的往复运动作钟摆计时。
假设当A与O重合的时候,光子正好从A射向B。
在A看来,光子的路线是ct' ,在O看来光子的路程则是ct 。并且A在t 时间内移动了vt 的距离。
三个长度的关系是:(ct')²+(vt)²=(ct)²
剩下就是等式的变换了:
两边去掉括号:²c²t'²=c²t²-v²t²
两边同除c² :t'²=t²-v²t²/c²
提取公因式:t'²=t²(1-v²/c²)
两边开平方:t'=t√(1-v²/c²)
这个结果好像对解释为什么任何速度下测量到的光速都一样没太大的用处。因此这个公式也就放置起来不理会了。
爱因斯坦在总结了前人的实验和理论之后,认为如果测量不到绝对速度,那为什么不抛弃绝对速度的概念,重新把物理学建立在相对性的基础上呢?
他认真的分析了速度这个问题。
重新审定了速度的概念:表示两个物体(质点)之间距离变化快慢的物理量。
那么任何两个物体之间的速度,一定是相等的,就是说A看O是以速度v运动,则O看A也必然是以速度V运动。这和经典物理学并没有本质的区别。但是这里有一个微妙的变化。速度是两个物体之间关系。与第三者无关。
光相对A以c的速度运动,那是光与A的关系,与有没有O无关。光相对O也是以c的速度运动,与有没有A无关。因此,解释了为什么速度不能叠加。
我们平时的速度是能叠加的,那其实是把两个独立的运动的系统看作一个系统了。只是因为速度很慢,所以这样的近似不会引起太大的误差。爱因斯坦试图找到一个换算的因子。最后突然发现,洛伦兹上面推导的那个公式中的√(1-v²/c²)正是他要找有那个相对论因子。而t'=t√(1-v²/c²),S‘=S√(1-v²/c²),就是因相对速度引起的两个系统岳母相观测值与对方的静止值之间的变换。
这就是狭义相对论的主要内容了。
为什么说是相对论的微分形式呢?
因为宇宙中几乎不存在匀速直线运动的物体,就算存在,也不存在这样的观测。
比如下图:
A是相对纸面静止的一点。B是相对纸面以速度v运动惯性系上的一点。在A看来,B与A的距离并不是时间的线性函数。因此,洛伦兹变换只适用在极小的距离、极短的时间的某一点上的运动。即微分点上的描述。
而宏观的结果则必须是由无数的微分点上的结果的累加值,那就是积分,也就是后来的文义相对论。
很多人以为时间变慢、距离变短是由于速度快造成的。这是一个错误的观念,说明还没有摆脱绝对性的观念。
我们这样想一下就明白了:速度是相对的,因此单独一个物体不存在速度。而任何一个系统都可以说它的速度是多少。
比如你坐在公园看书,你自己感觉自己是静止的。
以旁边走路的人为参照时,你的速度是1.3米/秒
以公路上汽车为参照时,你的速度是13米/秒
以正在起飞的飞机为参照时,你的速度是130米/秒
以飞行的炮弹为参照物时,你的速度是1300米/秒
以一个空间站为参照时,你的速度是13000米/秒
以一颗流星为参照时,你的速度是130000米/秒
……
要是因为你的速度快了,你的时间就会变慢,那你该咋变呢?按谁的速度变?
从洛伦兹变换的推导图中可以看到,速度v只是对O上的观测结果ct 产生了影响,对ct' 没有任何影响。
其实是由于相对速度的原因造成了O的观测结果t比t'快,vt 比vt' 长。
说运动的物体时间变慢、尺子变短只是相对参照系上的测量结果而言的。
其实运动的物体上的时间和尺子,与有没有人观测,以什么速度观测,没任何关系。
就像你在公园看书,有没有人走过,有没有流星掠过,和你有啥关系?它们测量到的时间长度是多少和你有啥关系呢?