Question

在狭义相对论中

Answer 1

问题一：什么是狭义相对论 狭义相对论
1905年，出生于德国的美籍物理学家阿尔伯特・爱因斯坦（1879――1955）发表了狭义相对论。这个理论指出在宇宙中唯一不变的是光线在真空中的速度，其它任何事物――速度、长度、质量和经过的时间，都随观察者的参考系（特定观察）而变化。该理论解决了许多困扰了物理学家们很长时间的问题，这个理论形成了一个著名的公式：E=MC2，也就是能量（E）等于质量（M）乘以光速（C）的平方。
相对时间
狭义相对论认为时间不是绝对的（即固定不变的）。爱因斯坦指出，随着物体（观察者所见到的）线性运动速度的加快，时间会变慢。使用同步原子钟已证实了这个结论的正确性，将一个钟表留在地面上，而携带另一个以很快速度移动（如在喷气式飞机上），随后进行比较，静止的钟表总比另一个稍微快一点。
相对长度
爱尔兰物理学家乔治・佛兹杰拉德（1851――1901）提出，物质会在运动的方向上收缩（缩小），这意味着根据一个静止观察者的观点，一枚以接近光线运行的火箭所表现出的长度会比它静止时更短，尽管乘坐火箭的人看来并没有什么两样。爱因斯坦指出，任何物体以光速运动时，其长度将会缩短为零。
时空
爱因斯坦发表他的相对论二百年前，英国物理学家艾萨克・牛顿（1643――1727）提出时间和空间都是绝对的，空间和时间是完全分开的。然而，在相对论数学中，时间和三维空间――长、宽和高，一起构成一个四维空间框架，叫做时空关联集。
质量和能量
爱因斯坦从他的狭义相对论中推导出等式E=MC2（这里E是能量，M是质量，C是恒定的光速），他用这个等式解释了质量和能量是等价的。现在认为，质量和能量是同一种物质的不同形式，称为质能。例如，如果一个物体的能量减少了一定量E，则它的质量也减少等于MC2的量，然而，质能不会消失，只不过以另一种形式被释放，它叫辐射能量。
伽利略相对性原理 经典物理学是从否定亚里士多德的时空观开始的。 当时曾有一场激烈的争论。赞成哥白尼学说的人主张地球在运动，维护亚里士多德-托勒密体系的人则主张地静说。地静派有一条反对地动说的强硬理由：如果地球是在高速地运动，为什么在地面上的人一点也感觉不出来呢？这的确是不能回避的一个问题。
1632年，伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维阿蒂”对上述问题给了一个彻底的回答。他说：“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大水碗，其中有几条鱼。然后，挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐口，你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳，无论向哪个方向跳 过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速，也不忽左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快，你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。虽然你跳到空中时，脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时，不论他是在船头还是在船尾，只要你自己站在对面，你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样，滴进下面的罐子，一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时，船已行驶了许多柞(为大指尖到小指尖伸开之长，通常为九英寸，是古代的一种长度单位)。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大；它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后，蝴蝶和......>>

问题二：有谁会解释狭义相对论？ 狭义相对论可以看作相对论的微分表达形式。
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，那么我们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，那么就意味着所有建立在这一理论基础上的物理理论也都必然是错的。这对经典物理学几乎是致命的一个实验，物理界一片哗然，经典物理学大厦摇摇欲倾。
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，也没引起太多人的重视。

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：速度是表示两个物体（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问题。速度是两个物体之间关系，因此应该与第三者无关。
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......>>

问题三：狭义相对论中的c是什么？公式是什么 狭义相对论中的c是光速，比较著名的是质能方程：E=mc^2,E是指物体所蕴含的总能量，m是物体的质量，c是光速，一般取3.0*10^8m/s,还有就是洛伦兹变换中，也叫相对论因子伽马。

问题四：什么叫以太？在狭义相对论有关以太的理论。 以太（Ether）（或译乙太；英语：ether或aether） 以太是希腊语，原意为上层的空气，指在天上的神所呼吸的空气。在宇宙学中，有时又用以太来表示占据天体空间的物质。以太是不是真的存在 　　1905年被称为爱因斯坦的“奇迹年”。这一年，还在专利局当职员的爱因斯坦接连发表了4篇影响深远的论文，解决了困扰当时的物理学界的一些最重要的难题，改变了我们对时间、空间、物质和光的看法。其中最著名的是第3篇论文，它提出了狭义相对论。虽然迈克尔逊－莫雷的以太风实验后来经常被作为兆示相对论的关键实验介绍，但是爱因斯坦提出相对论并不是为了解释该实验的结果。它只是当时一系列关于以太的实验之一而已，爱因斯坦并没有认真对待它。这是一篇非常奇特的论文。它没有引用任何文献，只提到了5个前辈科学家的名字：牛顿、麦克斯韦、赫兹、多普勒和洛伦兹。前面提到，洛伦兹为了解释迈克尔逊－莫雷以太风实验的“零结果”，根据麦克斯韦方程推导出当物体运动时，物体内的电磁力会让运动方向上的物体长度缩短，因而抵消了以太风的影响。这套方程式被称为洛伦兹变换。爱因斯坦认为洛伦兹变换反映了更普遍的自然规律，而不是电磁力的作用。根据两条物理原理也可以推导出洛伦兹变换：相对性原理和光速耿变原理。 　　相对性原理最早是伽利略提出来的，它认为对于任何不做加速运动的参照系（即惯性参照系），运动定律都是等价的。例如，不管你是在一辆时速100 公里的车上，还是在时速40公里的车上，运动定律都应该是一样的，二者没有区别。从麦克斯韦方程可以得出，光在真空中总是以恒定的速度（每秒30万千米）传播。如果电磁现象也适用相对性原理的话，那么不管是在快车还是在慢车上测量光速，测得的结果都应该是相同的。但是根据经典力学，这是不可能的，因为任何物体的运动速度的测量结果和参照系的选择有关。如果在路边测量一辆车的时速是100公里，那么在时速40公里的车上测量，它的时速就应该变成了60公里，而不会还是100公里。光速也应该类似，用不同的参照系测量的结果不应该恒定不变。这样，相对性原理和光速不变原理就出现了矛盾，要么相对性原理不对，要么麦克斯韦电磁规律不对。因此当时的物理学家认为，电磁规律不适用相对性原理，麦克斯韦电磁理论只在相对以太静止，也就是相对绝对空间静止的参照系中才成立。但是爱因斯坦认为，相对性原理和光速不变原理都是成立的，只不过我们必须改变绝对时空的观念。把相对性原理和光速不变原理结合起来，就能推导出洛伦兹变换，由此又可以推导出一些“奇怪”结果，例如运动物体的长度收缩、时间变慢效应。时空变成相对的了。经典力学假定存在一个对所有的观察者来说都是一样的绝对空间和时间。假设有人在路边射箭，甲在旁边观看，他看到射手和靶之间的距离是10米 （空间间隔），箭从射出到中靶用了1秒钟（时间间隔）。乙在行驶的车上同时观看了整个过程。乙看到的结果会和甲一样吗？常识和经典力学都认为是一样的，都是10米和1秒。爱因斯坦则认为这个常识是不对的，根据相对论可以算出甲和乙看到的空间间隔和时间间隔实际上并不一样。空间和时间是相对的，取决于观察者所在的参照系。如果绝对时空不存在，那么就无需假定存在迷漫太空的以太作为绝对参照系。在狭义相对论中，以太成了多余的东西。如果以太不存在，迈克尔逊－莫雷的以太风实验当然只能获得“零结果”。 　　在同一年，爱因斯坦发表有关光电效应的研究结果，从另一方面解决了以太的问题。1887年，赫兹发现光照射到金属上时，金属会发射出电子，称为光电效应。1902年，匈牙利－德国物理学家勒纳（1862-1947）指出光电效应是......>>

问题五：狭义相对论中电磁场的统一性和相对性表现在哪 狭义相对论是在光学和电动力学实验同经典物理学理论相矛盾的激励下产生的。1905年以前已经发现一些电磁现象与经典物理概念相抵触，它们是：①迈克耳孙－莫雷实验没有观测到地球相对于以太的运动，同经典物理学理论的“绝对时空”和“以太”概念产生矛盾。②运动物体的电磁感应现象表现出相对性――是磁体运动还是导体运动其效果一样。③电子的电荷与惯性质量之比（荷质比）随电子运动速度的增加而增大。此外，电磁规律（麦克斯韦方程组）在伽利略变换下不是不变的，即是说电磁定律不满足牛顿力学中的伽利略相对性原理。