《相對(duì)論中的神奇時(shí)空》講義

《相對(duì)論中的神奇時(shí)空》講義同學(xué)們，咱們現(xiàn)在開(kāi)始學(xué)習(xí)高中魯科版（2019）必修第二冊(cè)第5章第2節(jié)的內(nèi)容，那就是超級(jí)有趣的相對(duì)論中的神奇時(shí)空。一、什么是相對(duì)論呢？1、相對(duì)論的誕生背景在很久很久以前啊，科學(xué)家們覺(jué)得這個(gè)世界的物理規(guī)律就像咱們家里擺放得整整齊齊的家具一樣，穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)，沒(méi)啥變化?？墒悄兀S著科學(xué)不斷發(fā)展，就像咱們探索一個(gè)神秘的大森林一樣，一些新的現(xiàn)象出現(xiàn)了，以前那些穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)奈锢硪?guī)律解釋不了了。比如說(shuō)，當(dāng)物體運(yùn)動(dòng)速度特別快的時(shí)候，一些奇怪的事情就發(fā)生了。這就好比你平時(shí)騎自行車，慢悠悠的時(shí)候啥感覺(jué)都很正常，可一旦騎得飛快，就好像進(jìn)入了一個(gè)不一樣的世界一樣。這時(shí)候啊，愛(ài)因斯坦這個(gè)超級(jí)聰明的家伙就出現(xiàn)了。他就像一個(gè)勇敢的探險(xiǎn)家，敢于挑戰(zhàn)以前的觀念。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體接近光速的時(shí)候，很多我們平時(shí)覺(jué)得理所當(dāng)然的事情就變了。這就是相對(duì)論誕生的大背景。2、狹義相對(duì)論的基本假設(shè)狹義相對(duì)論有兩個(gè)超級(jí)重要的基本假設(shè)，就像兩座堅(jiān)固的橋墩一樣支撐著整個(gè)狹義相對(duì)論的大廈。第一個(gè)假設(shè)是相對(duì)性原理。這是什么意思呢？就好比你在一輛平穩(wěn)行駛的火車上，如果你不看窗外，只在車廂里做各種物理實(shí)驗(yàn)，比如讓小球滾動(dòng)啊，或者測(cè)量彈簧的伸縮啊，你得到的結(jié)果和你在靜止的地面上做這些實(shí)驗(yàn)得到的結(jié)果是一樣的。也就是說(shuō)，物理規(guī)律在所有的慣性參考系中都是相同的。這就像不管你是在自己家的客廳里（相當(dāng)于靜止的地面），還是在一輛勻速行駛的汽車?yán)铮ㄏ喈?dāng)于運(yùn)動(dòng)的參考系），你玩彈珠的規(guī)則都是一樣的。第二個(gè)假設(shè)是光速不變?cè)?。這個(gè)可就有點(diǎn)神奇了。想象一下，你站在路邊，打開(kāi)一個(gè)手電筒，光就以一定的速度射出去了。然后呢，有一輛超級(jí)快的汽車，以接近光速的速度朝著光射出去的方向開(kāi)過(guò)去。按照咱們平常的想法，在汽車上看這個(gè)光，光的速度應(yīng)該變慢了，因?yàn)槠囈苍诔獾姆较蚺馨??？墒悄兀瑦?ài)因斯坦說(shuō)不是這樣的，不管你是站在路邊看，還是在那輛超快的汽車上看，光的速度都是一樣的。這就好比不管你是靜止站著看一個(gè)跑步的人，還是你自己也在跑著看這個(gè)跑步的人，他的速度在你眼里都是固定不變的，這多奇怪啊。我給你們講個(gè)我自己的觀察經(jīng)歷吧。我有一次去看賽車比賽，那些賽車跑得可快了。我就在想，如果賽車的速度再快很多很多，接近光速的話，那按照相對(duì)論，會(huì)發(fā)生什么有趣的事情呢？這就引出了狹義相對(duì)論里面很多神奇的結(jié)論。二、狹義相對(duì)論中的神奇時(shí)空1、時(shí)間延緩效應(yīng)狹義相對(duì)論說(shuō)啊，當(dāng)一個(gè)物體運(yùn)動(dòng)起來(lái)的時(shí)候，它的時(shí)間就會(huì)變慢。這聽(tīng)起來(lái)是不是像天方夜譚？咱們來(lái)詳細(xì)說(shuō)說(shuō)。假設(shè)咱們有兩個(gè)雙胞胎兄弟，一個(gè)叫小快，一個(gè)叫小慢。小快呢，坐上了一艘超級(jí)快的宇宙飛船，去太空旅行了，而小慢就留在地球上。按照相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)，小快在飛船上的時(shí)間過(guò)得就比小慢在地球上的時(shí)間慢。比如說(shuō)，小快在飛船上感覺(jué)過(guò)了一年，等他回到地球的時(shí)候，可能小慢已經(jīng)過(guò)了好幾年了。這是為什么呢？咱們可以這樣理解。想象一下，時(shí)間就像一條河流，當(dāng)你靜止的時(shí)候，你就隨著時(shí)間河流正常流淌。但是當(dāng)你運(yùn)動(dòng)起來(lái)，特別是接近光速的時(shí)候，就好像你在逆著時(shí)間河流劃船，你劃得越快，時(shí)間對(duì)你來(lái)說(shuō)就過(guò)得越慢。就像我之前看的一個(gè)科幻電影，里面的宇航員去了一趟遙遠(yuǎn)的星系，回來(lái)的時(shí)候發(fā)現(xiàn)地球上已經(jīng)過(guò)了好幾百年，他認(rèn)識(shí)的人都不在了，那種感覺(jué)既孤獨(dú)又神奇。這就是時(shí)間延緩效應(yīng)在電影里的體現(xiàn)。2、長(zhǎng)度收縮效應(yīng)除了時(shí)間會(huì)變，長(zhǎng)度也會(huì)變呢。當(dāng)一個(gè)物體相對(duì)于觀察者高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，在觀察者看來(lái)，這個(gè)物體的長(zhǎng)度會(huì)變短。比如說(shuō)，有一根很長(zhǎng)很長(zhǎng)的桿子，靜止的時(shí)候有10米長(zhǎng)?，F(xiàn)在讓這根桿子以接近光速的速度從你面前飛過(guò)。在你眼里，這根桿子可能就只有5米長(zhǎng)了。這就好比你看一個(gè)遠(yuǎn)處的東西，本來(lái)很大，但是離你遠(yuǎn)了，看起來(lái)就變小了。不過(guò)這里的長(zhǎng)度收縮可不是因?yàn)榫嚯x遠(yuǎn)了的視覺(jué)錯(cuò)覺(jué)，而是實(shí)實(shí)在在的物理現(xiàn)象。我有一次在坐高鐵的時(shí)候就想，如果高鐵的速度能夠接近光速，那我看窗外的電線桿會(huì)不會(huì)變得很短很短呢？當(dāng)然，高鐵的速度離光速還差得遠(yuǎn)呢，這只是我的一個(gè)有趣的想法。3、同時(shí)的相對(duì)性在我們平常的生活中，我們覺(jué)得同時(shí)發(fā)生的事情就是同時(shí)發(fā)生的，沒(méi)什么疑問(wèn)。但是在相對(duì)論里，可就不一樣了。比如說(shuō)，有一列很長(zhǎng)很長(zhǎng)的火車在鐵軌上快速行駛。在火車中間的位置，同時(shí)向車頭和車尾發(fā)出兩道光。對(duì)于火車上的人來(lái)說(shuō)，這兩道光是同時(shí)到達(dá)車頭和車尾的。但是對(duì)于站在鐵軌旁邊的人來(lái)說(shuō)，由于火車在運(yùn)動(dòng)，他會(huì)看到光先到達(dá)車尾，然后才到達(dá)車頭。這就說(shuō)明，同時(shí)這個(gè)概念也是相對(duì)的，取決于觀察者所在的參考系。這就像在學(xué)校操場(chǎng)上，同學(xué)們排隊(duì)做課間操。如果大家都靜止不動(dòng)，老師說(shuō)同時(shí)舉手，那大家都會(huì)覺(jué)得是同時(shí)舉手的。但是如果這時(shí)候隊(duì)伍在快速移動(dòng)，從操場(chǎng)旁邊路過(guò)的人看，可能就會(huì)覺(jué)得不同排的同學(xué)舉手不是同時(shí)的了。三、廣義相對(duì)論中的時(shí)空1、廣義相對(duì)論的基本原理廣義相對(duì)論比狹義相對(duì)論更厲害，它把引力也考慮進(jìn)去了。廣義相對(duì)論有一個(gè)等效原理，這個(gè)原理說(shuō)，一個(gè)加速系統(tǒng)等效于一個(gè)引力場(chǎng)。比如說(shuō)，你在一個(gè)封閉的電梯里，如果電梯以一定的加速度向上運(yùn)動(dòng)，你在電梯里會(huì)感覺(jué)到自己變重了，就像有一個(gè)引力在拉你一樣。而在一個(gè)有引力的星球表面，比如地球表面，你也會(huì)感覺(jué)到重力。所以從效果上來(lái)說(shuō)，加速運(yùn)動(dòng)和引力是等效的。還有一個(gè)是廣義相對(duì)性原理，它說(shuō)物理規(guī)律在所有的參考系中都是相同的，不管這個(gè)參考系是加速的還是勻速的。這就像不管你是在一個(gè)旋轉(zhuǎn)的摩天輪上（加速參考系），還是在平地上（勻速參考系），物理規(guī)律都是適用的。2、時(shí)空彎曲廣義相對(duì)論里面最神奇的概念可能就是時(shí)空彎曲了。愛(ài)因斯坦說(shuō)啊，有質(zhì)量的物體就會(huì)使周圍的時(shí)空彎曲。就像你在一張繃緊的床單上放一個(gè)大球，床單就會(huì)凹陷下去一樣。這個(gè)大球就好比是有質(zhì)量的星球，而床單就是時(shí)空。如果有一個(gè)小物體在這個(gè)彎曲的時(shí)空附近運(yùn)動(dòng)，它就會(huì)沿著彎曲的時(shí)空軌跡運(yùn)動(dòng)。比如說(shuō)，地球繞著太陽(yáng)轉(zhuǎn)，就是因?yàn)樘?yáng)的質(zhì)量使周圍的時(shí)空彎曲了，地球只能沿著這個(gè)彎曲的時(shí)空做圓周運(yùn)動(dòng)。這就好比你在一個(gè)有很多坑洼的地面上走路，你只能沿著坑洼的形狀走一樣。我曾經(jīng)看過(guò)一個(gè)關(guān)于天文觀測(cè)的紀(jì)錄片，里面說(shuō)科學(xué)家們通過(guò)觀測(cè)光線在經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體附近時(shí)的彎曲現(xiàn)象，證實(shí)了時(shí)空彎曲的存在。這就像你在一個(gè)彎曲的管道里看光線，光線會(huì)沿著管道的彎曲形狀傳播一樣。3、引力紅移廣義相對(duì)論還有一個(gè)有趣的現(xiàn)象叫引力紅移。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是光在從引力場(chǎng)強(qiáng)的地方傳播到引力場(chǎng)弱的地方時(shí)，光的頻率會(huì)降低，波長(zhǎng)會(huì)變長(zhǎng)，顏色會(huì)向紅色方向移動(dòng)，所以叫引力紅移。比如說(shuō)，從太陽(yáng)表面發(fā)出的光，到達(dá)地球的時(shí)候，由于太陽(yáng)的引力場(chǎng)比較強(qiáng)，光在傳播過(guò)程中就會(huì)發(fā)生引力紅移現(xiàn)象。這就好比一個(gè)聲音在從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的時(shí)候，聲音的頻率和音調(diào)會(huì)發(fā)生變化一樣。四、相對(duì)論的驗(yàn)證1、狹義相對(duì)論的驗(yàn)證狹義相對(duì)論提出了這么多神奇的結(jié)論，那怎么知道它是對(duì)的呢？科學(xué)家們可是做了很多實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證的。比如說(shuō)，μ子衰變實(shí)驗(yàn)。μ子是一種基本粒子，它的壽命很短，在靜止的時(shí)候，它只能存在很短的時(shí)間就會(huì)衰變。但是當(dāng)μ子以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它的壽命變長(zhǎng)了，這就很好地驗(yàn)證了狹義相對(duì)論中的時(shí)間延緩效應(yīng)。還有高速運(yùn)動(dòng)粒子的質(zhì)量增加現(xiàn)象也驗(yàn)證了狹義相對(duì)論。當(dāng)粒子的運(yùn)動(dòng)速度接近光速時(shí)，它的質(zhì)量會(huì)變得比靜止時(shí)大很多，這也是狹義相對(duì)論的一個(gè)重要結(jié)論。2、廣義相對(duì)論的驗(yàn)證廣義相對(duì)論的驗(yàn)證也有很多例子。前面提到的光線在經(jīng)過(guò)大質(zhì)量天體附近時(shí)的彎曲現(xiàn)象，就是廣義相對(duì)論的一個(gè)重要驗(yàn)證。還有水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象。水星是離太陽(yáng)最近的行星，按照牛頓的萬(wàn)有引力定律，水星的軌道應(yīng)該是一個(gè)固定的橢圓。但是實(shí)際觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，水星的近日點(diǎn)會(huì)有一個(gè)很小的進(jìn)動(dòng)，這個(gè)進(jìn)動(dòng)用牛頓力學(xué)解釋不了，但是用廣義相對(duì)論就能很好地解釋。另外，引力波的發(fā)現(xiàn)也是廣義相對(duì)論的一個(gè)偉大驗(yàn)證。引力波就像時(shí)空的漣漪一樣，是由有質(zhì)量的天體的劇烈運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的?？茖W(xué)家們通過(guò)超級(jí)精密的儀器探測(cè)到了引力波，這就像聽(tīng)到了宇宙深處傳來(lái)的微弱聲音一樣，證明了廣義相對(duì)論的正確性。五、相對(duì)論對(duì)現(xiàn)代科學(xué)和生活的影響1、在科學(xué)研究中的影響相對(duì)論對(duì)現(xiàn)代科學(xué)的影響那可真是太大了。在天文學(xué)領(lǐng)域，它讓我們能夠更好地理解宇宙的結(jié)構(gòu)和演化。比如說(shuō)，我們通過(guò)廣義相對(duì)論可以研究黑洞的形成和性質(zhì)。黑洞是一種引力非常強(qiáng)大的天體，連光都跑不出去。如果沒(méi)有廣義相對(duì)論，我們很難想象這種神秘天體的存在和特性。在微觀物理學(xué)領(lǐng)域，相對(duì)論和量子力學(xué)一起，成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。它們相互補(bǔ)充，讓我們對(duì)微觀世界的認(rèn)識(shí)更加深刻。比如說(shuō)，在研究高速運(yùn)動(dòng)的微觀粒子時(shí)，相對(duì)論效應(yīng)就必須考慮進(jìn)去。2、在技術(shù)和生活中的影響相對(duì)論在我們的生活中也有很多應(yīng)用呢。比如說(shuō)，全球定位系統(tǒng)（GPS）就用到了相對(duì)論。GPS衛(wèi)星在太空中高速運(yùn)動(dòng)，同時(shí)受到地球引力場(chǎng)的影響。根據(jù)相對(duì)論的時(shí)間延緩效應(yīng)和引力紅移效應(yīng)，衛(wèi)星上的時(shí)鐘和地面上的時(shí)鐘走的速度是不一樣的。如果不考慮相對(duì)論的影響，GPS系統(tǒng)的定位就會(huì)