Question

关于相对论

我刚上高一，想知道一些关于相对论的知识，不要长篇累牍的讲述，只求一些简单易懂的解释。最好有高人用自己的话解释，谢了哈~

还有，最近看科幻，说越接近黑洞中心，时间流逝越慢，解释一下？
最后一个问题，一个人以光速跑1min，为什么她的亲人会死掉？

Answer 1

广义的相对论是指相对概念的论述，最常见的相对概念是大-小、多-少，相对于1，10是多的，相对于100，10是少的。通常所说的相对论，特指爱因斯坦相对论。
爱因斯坦相对论本是用来解释运动速度接近测量速度时会发生什么现象的。因速度是相对的，因此各种测量速度，都有相对接近的情况出现，所以相对论应有更广泛的使用范围。
爱因斯坦的相对论是为解释接近光速高速运动的粒子，运动规律不符合牛顿定律，而符合洛伦兹规律的原因而发现。
为此他做了两条假设：不同参照系的运动规律，存在相同的数学形式；光速在不同参照系中相同。
狭义相对论讲贯性系中存在相对论效应。
爱因斯坦由算式推导出钟慢、尺缩、空间弯曲等结果，与传统定义不同。

但是今天，我们发现光的粒子说不象爱因斯坦时代那么牢固，很多现象，用波的规律都可解释，爱因斯坦的假设也不具有普遍规律，按照现在的发现，可以有一个适应性更广的相对论且与所有理论兼容，其推导仅需要对原相对论做一点修正，不需要进行推导假设。

当钟以接近声速远离时，由于声音传递需要时间，听到的钟声比本地的钟慢，当钟以接近光速远离，由于光传递需要时间，看到的钟比本地的钟慢，这才是爱因斯坦计算出的钟慢效应的本质。

光是纯粹的波，相对论效应只是测量效应，由于测量速度而引入的效应。爱因斯坦的相对论是需要修正的相对论。
爱因斯坦推导相对论时，根本没有排除这个效果，他的推导存在一个巨大的漏洞！因此说爱因斯坦的理论是需要修正的理论。

如果一个钟，以0.5倍声速从原点远去，我们会听到什么现象呢？
一秒钟时，它距离原点0.5声秒距离报1秒，但这个事件我们在原点听见，需要再过0.5秒，于是我们发现，在本地钟1.5秒时，远处的钟报1秒，本地钟3秒时，远离的钟报2秒，也就是我们在忽略测量时间时，误以为远去的钟慢了。而且速度越快，钟慢得越厉害。
假设有一把尺长1声秒，而我们的测量地面上有一无限长尺子固定不动，运动尺头尾各有一个探测装置，在探测到与地面某一尺刻度重合时，用声音报出该刻度，我们在地面尺原点接收声音。尺匀速运动逐渐远离，当尺尾报0声秒时，尺头已经距离我们1声秒，而这个距离，要1秒后我们才能收到；当尺尾到1声秒距离时，尺头到2声秒，还是要在我们收到尺尾报1声秒后1秒，我们才能收到尺头报2声秒，于是我们会直观的认为，尺尾先到刻度，尺头后到达它本应立刻到达的刻度，感觉好象远离的尺，缩短了。而且运动速度越快，感觉短的越厉害。
超过声速我们将追上钟以前发出的声音，也就是先听到钟敲3下，报3点，再听到钟敲2下，报2点，然后听到钟敲1下，报1点，这就是超过声速时间倒流现象！

钟慢、尺缩、超光速时间倒流现象，都可以用声音试验做出结果，这只能证明爱因斯坦的结论有问题，他忽略了测量速度的问题，把现象当成了物理本质。照本文方法解释相对论，双生子悖论、子回到未生时杀父悖论都不存在。

Answer 2

相对论是关于时空和引力的基本理论，主要由爱因斯坦(Albert Einstein)创立，分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。相对论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。狭义相对论和广义相对论的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯系参照系）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。奠定了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。
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。
狭义相对论最著名的推论是质能公式，它可以用来计算核反应过程中所释放的能量，并导致了原子弹的诞生。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，也相继被天文观测所证实。相对论公式及证明
符号 单位 符号 单位
坐标(x,y,z)：m 力F(f)： N
时间t(T)： s 质量m(M): kg
位移r： m 动量p: kg*m/sm
速度v(u)： m/s 能量E: J
加速度a： m/s^2 冲量： N*s I
长度l(L)： m 动能Ek： J
路程s(S)： m 势能Ep： J
角速度ω： rad/s 力矩： N*m M
角加速度: rad/s^2α 功率P： W
一：
牛顿力学（预备知识）
(一)：质点运动学基本公式：(1)v=dr/dt,r=r0+∫rdt
(2)a=dv/dt,v=v0+∫adt
(注：两式中左式为微分形式，右式为积分形式)
当v不变时，(1)表示匀速直线运动。
当a不变时，(2)表示匀变速直线运动。
只要知道质点的运动方程r=r(t)，它的一切运动规律就可知了。
(二)：质点动力学：
(1)牛一：一切物体在没有受到力的作用时，总保持静止状态或匀速直线运动状态。
(2)牛二：物体加速度与合外力成正比与质量成反比。
F=ma=mdv/dt=dp/dt
(3)牛三：作用在同一物体上的两个力，如果等大反向作用在同一直线上，则二力平衡。
(4)万有引力：两质点间作用力与质量乘积成正比，与距离平方成反比。
F=GMm/r^2,G=6.67259*10^(-11)m^3/(kg*s^2)
动量定理：I=∫Fdt=p2-p1(合外力的冲量等于动量的变化)
动量守恒：合外力为零时，系统动量保持不变。
动能定理：W=∫Fds=Ek2-Ek1(合外力的功等于动能的变化)
机械能守恒：只有重力做功时，Ek1+Ep1=Ek2+Ep2
(注：牛顿力学的核心是牛二：F=ma,它是运动学与动力学的桥梁，我们的目的是知道物体的运动规律，即求解运动方程r=r(t),若知受力情况，根据牛二可得a,再根据运动学基本公式求之。同样，若知运动方程r=r(t),可根据运动学基本公式求a，再由牛二可知物体的受力情况。)
二、狭义相对论力学
（注:“γ”为相对论因子，γ=1/sqr(1-u^2/c^2)，β=u/c，u为惯性系速度。）
1．基本原理：（1）相对性原理：所有惯性系都是等价的。
（2）光速不变原理：真空中的光速是与惯性系无关的常数。
（此处先给出公式再给出证明）
2．洛仑兹坐标变换：
X=γ(x-ut)
Y=y
Z=z
T=γ(t-ux/c^2)
3．速度变换：
V(x)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2)
V(y)=v(y)/(γ(1-v(x)u/c^2))
V(z)=v(z)/(γ(1-v(x)u/c^2))
4．尺缩效应：△L=△l/γ或dL=dl/γ
5．钟慢效应：△t=γ△τ或dt=dτ/γ
6．光的多普勒效应：ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b)
（光源与探测器在一条直线上运动。）
7．动量表达式：P=Mv=γmv,即M=γm
8．相对论力学基本方程：F=dP/dt
9．质能方程：E=Mc^2
10．能量动量关系：E^2=(E0)^2+P^2c^2
（注：在此用两种方法证明，一种在三维空间内进行，一种在四维时空中证明，实际上他们是等价的。）
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三、三维证明
1．由实验总结出的公理，无法证明。
2．洛仑兹变换：
设(x,y,z,t)所在坐标系（A系）静止，（X,Y,Z,T）所在坐标系（B系）速度为u，且沿x轴正向。在A系原点处，x=0，B系中A原点的坐标为X=-uT，即X+uT=0。
可令
x=k(X+uT) (1).
又因在惯性系内的各点位置是等价的，因此k是与u有关的常数（广义相对论中，由于时空弯曲，各点不再等价，因此k不再是常数。）同理，B系中的原点处有X=K(x-ut),由相对性原理知，两个惯性系等价，除速度反向外，两式应取相同的形式，即k=K.
故有
X=k(x-ut) (2).
对于y,z,Y,Z皆与速度无关，可得
Y=y (3).
Z=z (4).
将(2)代入(1)可得：x=k^2(x-ut)+kuT,即
T=kt+((1-k^2)/(ku))x (5).
(1)(2)(3)(4)(5)满足相对性原理,要确定k需用光速不变原理。当两系的原点重合时，由重合点发出一光信号，则对两系分别有x=ct，X=cT.
代入(1)(2)式得：ct=kT(c+u)，cT=kt(c-u).两式相乘消去t和T得：
k=1/sqr(1-u^2/c^2)=γ.将γ反代入(2)(5)式得坐标变换：
X=γ(x-ut)
Y=y
Z=z
T=γ(t-ux/c^2)
3．速度变换：
V(x)=dX/dT=γ(dx-ut)/(γ(dt-udx/c^2))
=(dx/dt-u)/(1-(dx/dt)u/c^2)
=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2)
同理可得V(y),V(z)的表达式。
4．尺缩效应：
B系中有一与x轴平行长l的细杆，则由X=γ(x-ut)得：△X=γ(△x-u△t)，又△t=0(要同时测量两端的坐标)，则△X=γ△x，即：△l=γ△L,△L=△l/γ
5．钟慢效应：
由坐标变换的逆变换可知，t=γ(T+Xu/c^2),故△t=γ(△T+△Xu/c^2)，又△X=0，(要在同地测量)，故△t=γ△T.
（注：与坐标系相对静止的物体的长度、质量和时间间隔称固有长度、静止质量和固有时，是不随坐标变换而变的客观量。）
6．光的多普勒效应：（注：声音的多普勒效应是：ν(a)=((u+v1)/(u-v2))ν(b).）
B系原点处一光源发出光信号，A系原点有一探测器，两系中分别有两个钟，当两系原点重合时，校准时钟开始计时。B系中光源频率为ν(b)，波数为N，B系的钟测得的时间是△t(b)，由钟慢效应可知，A△系中的钟测得的时间为
△t(a)=γ△t(b) (1).
探测器开始接收时刻为t1+x/c，最终时刻为t2+(x+v△t(a))/c，则
△t(N)=(1+β)△t(a) (2).
相对运动不影响光信号的波数，故光源发出的波数与探测器接收的波数相同，即
ν(b)△t(b)=ν(a)△t(N) (3).
由以上三式可得：
ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b).
7．动量表达式：（注：dt=γdτ,此时，γ=1/sqr(1-v^2/c^2)因为对于动力学质点可选自身为参考系，β=v/c）
牛顿第二定律在伽利略变换下，保持形势不变，即无论在那个惯性系内，牛顿第二定律都成立，但在洛伦兹变换下，原本简洁的形式变得乱七八糟，因此有必要对牛顿定律进行修正，要求是在坐标变换下仍保持原有的简洁形式。
牛顿力学中，v=dr/dt，r在坐标变换下形式不变，（旧坐标系中为(x,y,z)新坐标系中为(X,Y,Z)）只要将分母替换为一个不变量（当然非固有时dτ莫属）就可以修正速度的概念了。即令V=dr/dτ=γdr/dt=γv为相对论速度。牛顿动量为p=mv，将v替换为V，可修正动量，即p=mV=γmv。定义M=γm（相对论质量）则p=Mv.这就是相对论力学的基本量：相对论动量。（注：我们一般不用相对论速度而是用牛顿速度来参与计算）
8．相对论力学基本方程：
由相对论动量表达式可知：F=dp/dt，这是力的定义式，虽与牛顿第二定律的形式完全一样，但内涵不一样。（相对论中质量是变量）
9．质能方程：
Ek=∫Fdr=∫(dp/dt)*dr=∫dp*dr/dt=∫vdp=pv-∫pdv
=Mv^2-∫mv/sqr(1-v^2/c^2)dv=Mv^2+mc^2*sqr(1-v^2/c^2)-mc^2
=Mv^2+Mc^2(1-v^2/c^2)-mc^2
=Mc^2-mc^2
即E=Mc^2=Ek+mc^2
10．能量动量关系：
E=Mc^2，p=Mv，γ=1/sqr(1-v^2/c^2)，E0=mc^2，可得：E^2=(E0)^2+p^2c^2
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Answer 3

狭义相对论认为，对于所有惯性系（以各种大小、方向恒定的速度运动的参照系），一切物理规律都具有相同的数学表达形式，真空中光沿各个方向传播的速率都相等，与光源和观察者的运动状态无关；由此可以推导出相对论坐标变换式和速度变换式，进而推导出所谓的钟慢尺缩效应和质能关系式等；用几何的观点看，就是相对运动的惯性系之间的时间和空间是相互偏转的。

广义相对论进一步认为，一切物理定律在所有参考系（无论是惯性的或非惯性的）中都具有相同的形式，引力和非惯性系中的惯性力等效，由此再借助一种关于弯曲空间的黎曼几何（中学的平面几何和立体几何都是平直坐标系下的欧几里德几何，而黎曼几何可以近似认为是一种曲线坐标轴构成的非欧几何）的数学工具而推导出广义相对论引力场方程，从而发现引力场中的时间和空间具有弯曲的性质。

黑洞由于引力非常强大，周围的时间和空间会非常弯曲，在远处看来，那里传来的现象变化会显得非常缓慢，也就是所谓的“越接近黑洞中心，时间流逝越慢”的广义相对论效应。而在黑洞中，由于连光线都被引力束缚住而出不来，以致我们无法常规得知其内部任何信息，相当于“与世隔绝”，对黑洞外部的我们来说，那里的时间都是静止甚至无意义、不存在的。

在理想假设中，一个人以光速跑，那么她的时间相对我们来说就是静止的了，也就是说，即使地球上的我们过了千万年、万亿年，我们都只能看到她离开时的样子，也可以说她的时间仍然停留在那一刻，更别说过1分钟了——那是她的亲人到死也无法看到的。当然，在现实中人还远远不能达到光速，那需要将来科学上的大突破。

以上只是一点简单说明，所以不是很确切，你可以通过一些科普读物进一步了解。很欣赏你的求知精神，也希望你能学业有成，将来可以有更深的了解。

Answer 4

光速定义值:c=299792458m/s
因此一个人以光速跑1min，也就是跑了17987547480米，假定我们以刘翔百米跨栏速度计算，也就是110/12.88=8.54米/秒，也要210627339秒化成年就是66.7年
这还是不吃不喝不睡觉的情况下才能到达！ 你说她的亲人就算是活到100岁还要再等上将近30年的时间！目前世界吉尼斯记录也就是130岁！我想估计没戏！

Answer 5

什么是相对论？