相对论讲了什么,为什么很多人无法理解?
如果一个人已经基本掌握了经典物理学的大部分理论,那么相对论其实是可以比较通俗的。但是如果经典物理都没有掌握,那么想要理解就比较困难了。本文尽量不用任何公式,来解释相对论是怎么来的。
“相对论”这个名字,已经包含了相对论的根本内容。
相对论就是讨论相对性原理对于哪些情况成立,并基于此给出动力学/时空结构的理论
所以相对论的基础就是相对性原理。我们讨论下相对性原理,然后就可以理解什么是相对论了。
什么是相对性原理呢?其实就是,在某种情况下的物理原理,与另一种情况下完全相同。此时我们就可以说这两种情况是等效的,而这两种情况的差别就是“相对的”,没有哪一种情况高于另一种。
上面的话比较抽象,具体一点,我们看狭义相对论的基础“惯性系”的相对原理:
在某观察系中,静止的和匀速运动的坐标系下,物理规律完全相同。通俗的说法是“你在封闭的绝对平稳的匀速运动的车厢里,通过任何物理实验,都无法判断自己是否在运动,也无法测得自己得运动速度”。基于这一点,我们可以说,直观上的静止系(地面系)和匀速运动系(例如匀速运动的车厢)并没有区别,静止系并不是特殊的,它们之间的运动是相对的。你可以说车厢静止地面在动,也可以说地面静止车厢在动。从物理上讲这两者并没有区别。
这就是狭义相对性原理“所有的惯性坐标系满足完全相同的物理规律,它们之间都是对等的,没有哪个是特殊的。它们之间的运动是相对的。”
这打破了古代人的理解。在以前,大家觉得,宇宙中应当有一个“绝对静止系”,它是特殊的,是高于其他参考系的。(例如以太理论)。
知道了这个原理我们怎么得到狭义相对论呢?这就要用到电动力学理论“麦克斯韦方程组”了。电动力学理论预言了光速,并被证实。在电磁场理论中,无需任何参照即可获得光速,而且它是常数。根据狭义相对性原理,那不就是“所有惯性系中的光速都相同”才对。
一开始大家觉得,怎么可能?地面坐标系,和相对于地面速度v的坐标系中,同一束光的速度,测出来怎么能是相同的?不符合速度叠加原理(伽利略变换)啊!
此时有数学大牛(洛伦兹)给出了一种数学上的可能(洛伦兹变换),如果时空结构不是固定不变的(同一个物体的长度在不同坐标系下可以不同,同一段时间长度在不同坐标系下也可以不同),那么就可以做到“所有惯性系中的光速都相同”。
于是就是著名的选择题了。选项1:麦克斯韦方程组错了,光速不是不变的。选项2:绝对时空观(伽利略变换)错了,不同参考系下,长度和时间都不是不变的。爱因斯坦选择了2,给出了狭义相对论(所以狭义相对论几乎是直接给出的,并没有花老爱多长时间)。
如果你是一个1900年的物理本科毕业生,已经习得微积分,矢量分析,经典力学,电动力学,并且你的数学思维能力足够强(当今高考数学140的水平吧),你完全可以在没有学过相对论的情况下,仅仅基于“所有惯性系中的光速都相同”和“绝对时空观(伽利略变换)错了,不同参考系下,长度和时间都不是不变的。”这两句话,推导出包括洛伦兹变换和E=mc^2在内的所有狭义相对论结论。具体推导可见各种课本。