要了解狹義相對論和廣義相對論的區別,我們首先要搞清楚,這兩個理論大概說了什麼?
狹義相對論
我們先從狹義相對論說起,其實狹義相對論解決了一個物理學的重大矛盾。在愛因斯坦之前,最成功的兩個理論分別是牛頓提出的牛頓力學和麥克斯韋提出麥克斯韋方程。只不過,這兩個理論有個矛盾,那就是:光速。
具體來說,牛頓的理論認為,速度可以不斷地進行疊加,沒有上限,只要你加得上去就行。可是,麥克斯韋方程得出的光速是一個固定值,似乎暗示著光速無論在什麼慣性坐標系下都是一樣的。要知道,我們在使用牛頓力學時,是需要先選定參考坐標的。因此,科學家就在思考,是不是存在一個奇怪的坐標系,讓光速一直保持一個速度,它們管這個叫做以太。於是,一群科學家就拼了命地去找「以太」,然後他們接二連三地失敗了。
後來,26歲的愛因斯坦提出了狹義相對論。
有人說他高舉了奧卡姆剃刀原理才成功的,這個奧卡姆剃刀原理大意是:如無必須勿增實體。翻譯過來就是,咋簡單咋來。既然光速是不變的,那為啥還要假設「以太」?
於是,愛因斯坦就以「光速不變原理」和「相對性原理」為基礎假設,推導出了狹義相對論。這個過程就有點像平面幾何,就只有五條公設,但是能搞出一整套體系。而這裡的相對性原理,說白了就是經典物理學的老套路,在研究運動時,需要先選個慣性參考系。
通過這兩條假設,愛因斯坦出了很多奇葩的結論,比如:時間膨脹。說的是,如果你想對於我高速運動,那我看你的時間就會變慢,這種變慢可以理解成,如果你在高速的飛船裡做操,那我這裡看到的就是你在慢動作做操。而你自己其實感覺到的時間是正常流逝。所以,是以我參考系看你時間膨脹了。如果你也看到,你也會發現我的時間也變慢了,因為我想對於你也是在高速運動的。
除了時間膨脹,還有尺縮效應,其實說的是如果你相對於我高速運動,那你的尺寸會縮短。你會發現,為什麼要麼和時間,要麼和長度(空間)有關,這其實就和狹義相對論要統一的對象有關,狹義相對論統一了時間和空間。愛因斯坦認為時間和空間並不是分離的兩個物理量,它們會受到運動的影響。所以,我們要把它們結合起來研究,並稱為時空。由於我們生活在三維的空間內,所以也可以叫做三維時空。而光速則是三維時空的一個特殊屬性,描述了兩個事件之間的時空間隔。說得直白點就是,你看到鏡子裡的自己永遠都是過去的自己,
因為這裡要經歷跑光到鏡面再跑回來,所以過去影響現在,現在影響未來,在光能跑到的範圍內,都會影響到未來,有一句很文藝的話就是:光錐即命運。說的就是這道理。
廣義相對論
其實狹義相對論還有質能等價的部分,說的是運動也會影響到質量和能量,不過這並不是我們這次的重點。我們先來說說廣義相對論,廣義相對論被很多人認為是描述引力的一個理論。說的是引力的本質是時空的彎曲。
地球之所以會繞著太陽轉,就是因為太陽彎曲了周圍的時空。而地球是沿著時空的測地線在運動。這個測地線其實就是時空內的「直線」,兩點之間的最短路徑,如果一個物體不收任何外力都會沿著測地線運動。(我們把視角降維到二維上看,就是下面這樣。)
狹義相對論和廣義相對論的區別
之前也說到,是很多人認為廣義相對論是用來解釋引力的。實際上,我們只能說這是順手解決了引力。這其實就會涉及到狹義相對論和廣義相對論的區別。在講狹義相對論時,我們總在說「慣性參考系」,為什麼呢?
其實狹義相對論描述的三維時空是平直的三維時空,也就是沒有彎曲的時空(我們也可以說這是曲率為0的時空),在這樣的時空內,光都是沿著直線在運動的,不帶拐彎的。
至於廣義相對論,其實你應該也猜到了,它描述的是彎曲的時空的,也就是非慣性參考系。
所以,狹義相對論和廣義相對論最本質的區別就在於時空是不是彎的。