相對論科普介紹

相對論5/9/20241相對論科普介紹相對論的發(fā)現(xiàn)原于人們的想象力想象力比知識更重要,因為知識是有限的，而想象力概括著世界上的一切，推動著進步，并且是知識進化的源泉。想象力是科學研究中的實在因素。5/9/20242相對論科普介紹狹義相對性原理：物理定律在一切相對系中所取得形式是一樣的。廣義相對性原理：任何物理定律在任何參考系中都取相同的形式5/9/20243相對論科普介紹相對性原理的推導5/9/20244相對論科普介紹相對論的來源愛因斯坦的變革首先從挑戰(zhàn)光學的舊古典物理學理論開始。十九世紀，光學的機械理論居于統(tǒng)治地位。這種理論認為，光是一種稱之為“光以太”或簡稱“以太”的彈性介質(zhì)的波動。5/9/20245相對論科普介紹古典物理學家認為，以太就像空氣一樣，充滿我們周圍的空間，可我們看不到它們，就像靜止的水一樣，我們只能看到清澈的水底的石塊和泥沙。那么，以太只有在波動的時候，我們才能看到光。5/9/20246相對論科普介紹光以太學說與牛頓力學所引出的“絕對空間”理論緊密相連。牛頓認為：“絕對空間由于它的本性以及它同外界事物無關(guān)，它永遠同一和不動的?！?/9/20247相對論科普介紹既然以太這種東西無處不在，有絕對靜止，不受任何東西干擾，于是，牛頓認為可以把以太看作是絕對參考系，它決定了世界上一切運動的永恒的絕對狀態(tài)。也就是說，我們可以隨時確定任何東西的位置，只要標出它在絕對靜止的以太中的位置就可以了。5/9/20248相對論科普介紹既然存在絕對的位置和狀態(tài)，牛頓進而認為，也必然存在著“絕對時間”。他說：“絕對的、真正的數(shù)學時間自身在流逝著，它的本性是均勻的。它的流失同任何外界事物無關(guān)?！?/9/20249相對論科普介紹這種觀點認為，時間在均勻的流逝，并且想象在宇宙中有一種“標準鐘”，人們可以從放在任意地方的這種時鐘上讀出“絕對時間”。任何時間都是絕對可以和某個標準時間比較的。5/9/202410相對論科普介紹絕對時間和絕對空間是牛頓力學的根基。然而，牛頓的絕對時間和絕對空間有明顯的毛?。杭热唤^對時間和絕對空間同任何外界事物沒有關(guān)系，那么怎樣才能證明它們存在呢？換句話說，這個沒有邊界和沒有過去未來的絕對時空是怎么存在的呢？因為按照牛頓的觀點，它們是無需測量的，甚至根本是無法測量的。這個問題，牛頓沒有辦法回答。他只能說，絕對時間和絕對空間是上帝創(chuàng)造的?！猙5/9/202411相對論科普介紹牛頓5/9/202412相對論科普介紹那么，要是光以太是靜止存在于“絕對空間”之中，并且天體穿過它運行，這種運動的結(jié)果對于光以太來說必然是顯著的。而且使用精密的光學儀器也一定能夠驗證“以太風”。但是，著名的“麥克爾遜試驗”并沒有看到所謂的“以太風”的現(xiàn)象，它證明光速是恒定的，與光源和觀察者的運動無關(guān)。5/9/202413相對論科普介紹麥克爾遜實驗5/9/202414相對論科普介紹5/9/202415相對論科普介紹這個實驗證明以太是不存在的。所以一個物體或一參考系的運動，只有在于另一個物體或參考系項比較而存在，并在其對比中數(shù)值也是適宜的。不存在什么絕對運動。而且它也證明光速對任何參考系都是一個恒量。5/9/202416相對論科普介紹愛因斯坦的“狹義相對論”認為，在相互作直線-非加速運動的所有參考系中，自然規(guī)律是同樣有效的。它的意思是：你站在兩個作直線運動的參考系中的時候，你看到的物理現(xiàn)象應該是一樣的。5/9/202417相對論科普介紹舉個例子來說：勻速開動的火車和車站就是兩個相互作直線-非加速運動的參考系，我們無論站在站臺上還是站在車廂里，我們看到的物理現(xiàn)象是一致的，比如我們向上拋一個球，無論站在車廂里還是站在站臺上，這個球都最終會落到我們手里，我們并不能區(qū)分是在車廂里還是在站臺上。5/9/202418相對論科普介紹而至于具體的相對的時間和空間值,在兩個參考系，時間和空間值可以用“洛侖茲變換”（Lorentztransformation）這一特別的等式進行換算。5/9/202419相對論科普介紹洛侖茲變換設（X,Y,Z,T)表示發(fā)生在Ｔ時刻（Ｘ，Ｙ，Ｚ）處的事件。X’=(x-vt)/√▔[1-(v/c)2]Y’=yZ’=zT’=(t-vx/c2)/√▔[1-(v/c)2]5/9/202420相對論科普介紹狹義相對論的時空觀5/9/202421相對論科普介紹既然有光速恒定這一事實，那么很多和我們平常常是相違背的現(xiàn)象的出現(xiàn)成為必然。這就應出了相對論的兩個著名的“佯謬”，引起人們的廣泛重視，也是多少年來激烈爭論的焦點所在。鐘慢尺縮5/9/202422相對論科普介紹讓我們假定，一位旅客在車上點起一只火把，放置在車廂地板上。火把發(fā)出的光束很快到達車廂頂壁。在車廂頂壁與火把垂直處，有一面鏡子,鏡子將光束反射回到火把上．這時旅客看到光線往返的路線是垂直的．但是，月臺上的人看到的情景卻很不同．他們看到在光束從火把到達鏡子的過程中，由于火車的運動，光線的傳播路線市向后傾斜的。在這一過程中，光束經(jīng)過的路線是一個等腰三角形的兩腰長和。5/9/202423相對論科普介紹通過這一事實使我們發(fā)現(xiàn)，月臺上的人看到光束在這一過程中傳播的距離是一個等腰三角形的兩腰之和。而火車上的人看到光束傳播的距離則僅僅等于這個三角形的兩倍。顯然,前著的長度大于后者。另一方面,我們知道,光速是一種絕對速度。對于火車上的人和月臺上的人來說，光速當然是相同的。于是我們就得出結(jié)論：從月臺來看，光從射出到返回所經(jīng)過的時間要比火車上看經(jīng)過的時間長。故運行中的鐘表都比靜止的鐘表慢。我們稱這種現(xiàn)象為“鐘慢”。5/9/202424相對論科普介紹5/9/202425相對論科普介紹怎樣驗證光速是

不可超越的？5/9/202426相對論科普介紹5/9/202427相對論科普介紹5/9/202428相對論科普介紹我們通常運用的速度相加定理，不是在任何情況下都是經(jīng)確無誤的。它僅僅適用于比光速小得多的低速度。在關(guān)于相對論原理的討論中，經(jīng)常提出與各種傳統(tǒng)觀念相反的觀點。速度相加定理，就是我們根據(jù)這種表面看來是合理的論點推導出來的。根據(jù)這一定理，我們將火車在一小時內(nèi)運行的距離，同乘車人在車上沿火車運行方向一小時內(nèi)運行的距離相加。但是相對論告訴我們，這兩個距離是不能相加的。5/9/202429相對論科普介紹兩個例析5/9/202430相對論科普介紹但是，相對論面臨著超光速現(xiàn)象的嚴峻挑戰(zhàn)：近幾年，不斷有超光速現(xiàn)象被發(fā)現(xiàn)的報道。1991年，意大利國家電磁波研究院做過一個有說服力的實驗，他們使一束微波通過波導管。隨著波導管的加長，他們發(fā)現(xiàn)有一部分微波以超光速穿過了導管。5/9/202431相對論科普介紹2000年，更高的超光速現(xiàn)象出現(xiàn)了，美籍華人王利軍把一個光脈沖發(fā)射到一個充滿了特殊處理的銫氣體的容器中，他們發(fā)現(xiàn)光脈沖在銫氣室中前進的距離是同一時間在真空中穿越距離的310倍。除了實驗室中的超光速現(xiàn)象外，天文觀察也發(fā)現(xiàn)了超光速現(xiàn)象存在的證據(jù)。5/9/202432相對論科普介紹1972~1974年美國一些天文學家發(fā)現(xiàn)賽佛特星3C120自身膨脹的速度到達光速的4倍。到1977年又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)類星體3C273，3C345和3C279各自的兩組成部分分離速度達到光速的7倍，10倍和19倍。后來，天文學家用分辨率極高的長基線射電干涉儀，又發(fā)現(xiàn)了10個類星體的兩子源分離速度均達到光速的7到8倍?？磥恚油馍潆娫磧山M成部分的超光速膨脹現(xiàn)象并非是罕見事例了。5/9/20