艾因斯坦的相对论解释

是爱因斯坦吧！ 汽车是运动的，树木是静止的，这样说大家都能接受，但如果反过来说树木是运动的，汽车是静止的则会有很多人说你痴人说梦。其实在物理学上这两种说法都是正确的，只是所选的参照系不同而已。这也是爱因斯坦伟大的相对论创建的基本出发点。 相对论创建的第一个假设是：所有参照系都遵循相同的物理定律。无论在地上还是在匀速行驶的汽车上，用尺子量一个木板或用秒表量一个钟摆晃动10个周期的时间，结果都是相同的。但是如果木板或钟摆在一个以一定速度驶过测量者面前的车上，重复上面的测量就会得到不同的结果。这种不同就是由所有参照系都遵循相同的物理定律造成的。 相对论创建的第二个假设是：光速在所有参照系中都是恒定的。刚一听好像和第一条假设说的是同一件事，可是仔细想想就会发现其中的奥妙。第二条假设的意思是无论你坐在飞驰的火车里还是静止的躺椅中，光速都保持恒定，和你所处的运动状态无关。原因就在于我们在处理日常物理目标的速度时得到的都是合速度。例如你驾驶一辆时速为25千米每小时的越野吉普，一位乘客以相对你10千米每小时的速度用弹弓射击前面的岩石，那么弹珠的实际运动速度就应该是35千米每小时。可是如果打开前车灯，按照常识光速是334,800,000千米每小时，加上车的运动速度，光的实际速度就应该是334,800,025千米每小时，可实际测量光速还是334,800,000千米每小时。为什么同样的参照系光和实际物体得到的结果不同呢？ 要解释它首先要从速度的定义说起。单位时间内通过的距离叫做速度，即速度是距离被时间除得到的。长度收缩学说认为一个具有质量的物体在它运动方向上的测量长度是相对缩短的，达到光速时长度相应缩短为零。学说成立的基础是测量者和被测量物处于不同的参照系，且只发生在物体运动方向，不会影响和运动垂直方向的长度。也就是说当你驾驶一辆速度接近光速的汽车时，静止的观察者看到的车长远远小于它的实际车长，而高度方向没有变化。这种情况反过来说，即当你驾驶飞快的汽车通过一个门洞时，从你的角度来看这段距离要比实际距离短得多。这种情况在日常生活中经常被忽略不被注意是因为物体运动速度都很慢，长度收缩现象不明显。时间和长度一样也会随着参照系的变化而变化，这就是所谓的时间膨胀。随着运动速度的增加时间会相对变慢，一般情况下都比较微弱不易觉察，达到光速时时间会完全停止。但是这种现象也只有观察者和时钟不在同一参照系时才能发生，为了证明这一结论，两个原子钟被调节成完全相同，一个留在地球上，一个放在高速飞行的航天飞机上，当飞机降落时会发现飞机上的原子钟要比地球上的原子钟慢，慢的时间和由爱因斯坦相对论推算出来的结果相同。也就是说航天飞机上原子钟记录的时间相对地球上静止的原子钟的时间膨胀了。 理解了近光速或等光速运动时的长度和时间的变化，车头灯光速的问题就不难解释了，因为光运动和我们普通运动所涉及的距离和时间不同而已。 相对论问世，人们看到的结论就是：四维弯曲时空，有限无边宇宙，引力波，引力透镜，大爆炸宇宙学说，以及二十一世纪的主旋律--黑洞等等。这一切来的都太突然，让人们觉得相对论神秘莫测，因此在相对论问世头几年，一些人扬言"全世界只有十二个人懂相对论"。甚至有人说"全世界只有两个半人懂相对论"。更有甚者将相对论与"通灵术"，"招魂术"之类相提并论。其实相对论并不神秘，它是最脚踏实地的理论，是经历了千百次实践检验的真理，更不是高不可攀的。 相对论应用的几何学并不是普通的欧几里得几何，而是黎曼几何。相信很多人都知道非欧几何，它分为罗氏几何与黎氏几何两种。黎曼从更高的角度统一了三种几何，称为黎曼几何。在非欧几何里，有很多奇怪的结论。三角形内角和不是180度，圆周率也不是3。14等等。因此在刚出台时，倍受嘲讽，被认为是最无用的理论。直到在球面几何中发现了它的应用才受到重视。 空间如果不存在物质，时空是平直的，用欧氏几何就足够了。比如在狭义相对论中应用的，就是四维伪欧几里得空间。加一个伪字是因为时间坐标前面还有个虚数单位i。当空间存在物质时，物质与时空相互作用，使时空发生了弯曲，这是就要用非欧几何。 相对论预言了引力波的存在，发现了引力场与引力波都是以光速传播的，否定了万有引力定律的超距作用。当光线由恒星发出，遇到大质量天体，光线会重新汇聚，也就是说，我们可以观测到被天体挡住的恒星。一般情况下，看到的是个环，被称为爱因斯坦环。爱因斯坦将场方程应用到宇宙时，发现宇宙不是稳定的，它要么膨胀要么收缩。当时宇宙学认为，宇宙是无限的，静止的，恒星也是无限的。于是他不惜修改场方程，加入了一个宇宙项，得到一个稳定解，提出有限无边宇宙模型。不久哈勃发现著名的哈勃定律，提出了宇宙膨胀学说。爱因斯坦为此后悔不已，放弃了宇宙项，称这是他一生最大的错误。在以后的研究中，物理学家们惊奇的发现，宇宙何止是在膨胀，简直是在爆炸。极早期的宇宙分布在极小的尺度内，宇宙学家们需要研究粒子物理的内容来提出更全面的宇宙演化模型，而粒子物理学家需要宇宙学家们的观测结果和理论来丰富和发展粒子物理。这样，物理学中研究最大和最小的两个目前最活跃的分支：粒子物理学和宇宙学竟这样相互结合起来。就像高中物理序言中说的那样，如同一头怪蟒咬住了自己的尾巴。值得一提的是，虽然爱因斯坦的静态宇宙被抛弃了，但它的有限无边宇宙模型却是宇宙未来三种可能的命运之一，而且是最有希望的。近年来宇宙项又被重新重视起来了。黑洞问题将在今后的文章中讨论。黑洞与大爆炸虽然是相对论的预言，它们的内容却已经超出了相对论的限制，与量子力学，热力学结合的相当紧密。今后的理论有希望在这里找到突破口。

爱因斯坦的相对论

爱因斯坦曾经用一句话解释相对论：（小时候看过的儿童科普书上就有） 当和一个漂亮姑娘在一起坐一小时，你会感觉只有一分钟； 但是当你做在一个燃烧的火炉上时，一分钟就比一小时钟还长~~ 从E=CM2这个公式下手，爱因斯坦所提出的实质是指“能量极限”，含有空间与时间的二重性，当物质达到光速，它的能量即达到最大值。内部能量会跟随消失，物质则会解体。而速度近于光速，物质内部运动能量也会减少，这份能量足以维持其继续运动，但毕竟能量减少，物质内部运动速度减慢，时间概念则会相对减慢。这也就是时间的相对性，也可以解释任何物质无法超越光速。