沒有絕對靜止!相對論提出全新時空觀,是否就是宇宙的終極奧義?

2020-12-06 Alien老王

相對論和量子理論是近代物理的兩大理論支柱,同時現代高新技術的理論基礎。相對論是一個關於時間,空間和物質運動的理論,分為廣義相對論和狹義相對論。

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在講相對論之前,必須要先了解伽利略變換和經典力學時空觀。眾所周知沒有絕對的靜止,我們之所以認為大地是靜止的,是因為我們將大地作為參考系。而宇宙中是沒有默認的參考系的,我們需要自己建立參考系,這就涉及到不同參考系的變換。假設參考系S1相對S的速度矢量為v(本文中粗體代表矢量),一個物體在S1中運動速度矢量為v1,那麼,這個物體在S中的速度矢量就是v+v1,注意這是矢量和,不是簡單的加法運算。

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在19世紀,人們認為這種變換可以應用於世間萬物,包括光,由此有人提出了以太理論,認為宇宙中存在絕對靜止的一種參考系—以太,並且光需要通過以太作為介質傳播(注意以太理論認為以太絕對靜止,如果看到有人說以太是運動的,那麼可以斷定是偽科普)。後來,著名的邁克耳孫—莫雷實驗以極高的精度(精度達到(u/c)級)。按照伽利略變換,由於地球的公轉,所以光在垂直方向和水平方向的速度必然不相等。由於實驗原理複雜,不展開細說,只說結果。在緩慢轉動邁克耳孫幹涉儀,理應產生幹涉條紋移動,然而實驗中幹涉條紋紋絲未動。且根據誤差計算,幹涉條紋需移動▲N≈0.37,而實際不到0.01(其實就是沒有移動,為了準確才說不到0.01)。有人可能會說地球公轉+自轉影響結果,但實驗持續時間很短,可以近似將地球看成慣性系。在後來,大量科學家重複了這個實驗,都未發現幹涉條紋偏移,以太理論不攻自破,而唯一可以解釋的,目前只有相對論。

愛因斯坦認為,所有慣性系都是平權的,不存在所謂的最優(絕對靜止)參考系,並且所有參考系中的物理規律都是一樣的,這就意味著無論你是坐著飛船還是坐在地上,看到的光速都是一樣的,光不符合伽利略變換。他把這些歸納為兩大原理:相對性原理和光速不變原理。這就是狹義相對論的基礎。

其實早在洛倫茲研究電磁場時,就已經提出了洛倫茲變換,這個變換恰好可以解釋光速不變原理。這是否暗示了光和電的本質是相同的呢?目前還說不準。

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狹義相對論的時空觀包括:同時的相對性,長度的相對性,時間間隔的相對性以及因果關係。通俗地講:1.你看到同時發生的事情,別人看到可能是先後發生。2.在不同參考系下測量同一個物體長度可能是不同的。3.同時出生,但處於不同參考系的人,可能年齡不同。4.有因果關係的事情發生的時序不會顛倒。當然以上現象都需要在高速運動時才能有所展現。

相對論中最難懂的是動力學。它把力定義為動量對時間的函數的導數,F=dp/dt,如果把這個新定義帶入牛頓力學的功能關係式:d(Ek)=F·ds=F·udt,F=d(mu)/dt,可以得到mc=Ek+m0c,愛因斯坦將m0c定義為靜能,總能量E為動能和靜能之和,就得到了質能方程:E=mc,它說明一定的質量就代表一定的能量,這個原理被應用到原子彈製造中,即原子核放出的能量與元素種類無關,只和損失的質量有關。

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雖然相對論還未得到有力的證明,但是它的原理以及被廣泛應用到生活中,它可以堪稱是人類目前為止最偉大的理論。

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相關焦點

  • 宇宙中有時間靜止的地方嗎?黑洞中心的時間是絕對靜止的嗎?
    空間的絕對參考系大家都可以理解,畢竟從相對論將牛頓拉下神壇之後,絕對參考系就不復存在了!相對論告訴我們,無論時間還是空間都是相對的,沒有絕對的參考系,更沒有完全一致的時間!但廣義相對論又告訴我們,黑洞中時間靜止,那麼問題就來了,宇宙中到底有沒有時間絕對靜止的地方?
  • 狹義相對論並沒有擺脫牛頓的時空觀
    狹義相對論的基礎是洛倫茲變換,在洛倫茲做完變換之後,就把它丟在一邊,因為看著那些不著四六的結論覺得很荒唐,覺得這種變換就是變著玩的,沒有任何意義。但愛因斯坦並不這樣看,他拿來結論看看,覺得可以自己解釋一下,沒準就有人信了。
  • 秒懂霍金理論(1)大統一時空觀
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  • ——否定相對論時空觀
    人在認識物質客觀的時空屬性過程中形成了:物質都存在一般時空屬性的觀念——時空觀。吸取無理屬性的一般,是哲學絕對時空觀的基礎。物理科學是對物質存在與運動的特殊物理屬性的認識,而哲學卻是對物質存在的一般性:時空屬性和物理屬性的普遍、一般屬性的認識,就是哲學的一般時空觀——絕對時空觀。這裡只討論物質時空屬性所具有的一般性——也就是絕對時空觀!
  • 牛頓和愛因斯坦的時空觀,一個主張絕對一個主張相對,誰是對的?
    引言:相比起探索宇宙的範圍大小,人類在兩千多年前就開始思考什麼是時間、什麼是空間,以及兩者的關係。到了十六世紀,牛頓提出了絕對時空觀,進入20世紀愛因斯坦提出了相對論,兩種不同的觀點都解釋了時間與空間的關係。
  • 如果沒有愛因斯坦,《相對論》會被推遲多久才提出?
    但絕對不會超過50年,至於原因,我在會在文中陳述在愛因斯坦之前,光速不變已經被麥克斯韋所預言,此後還有索菲水流實驗,麥可遜莫雷實驗,以及馬赫對牛頓力學的批判。狹義相對論在20世紀初已經呼之欲出了,比如洛倫茲在愛因斯坦之前就開始根據光速不變的實驗事實將伽利略變換拓展到了洛倫茲變換,還有龐加萊對絕對時空觀的質疑。
  • 在當時沒有事實驗證的情況下,愛因斯坦為何可以提出相對論?
    因為直到今天,也並非所有的科學家都認同是愛因斯坦創立的狹義相對論,有些科學家認為龐加萊或者洛侖茲比愛因斯坦更早創立了狹義相對論,科學界確實存在著這種爭議。這說明什麼?說明狹義相對論的誕生條件早已經相當成熟了,即使沒有愛因斯坦,狹義相對論也會很快誕生。
  • 普通人如何快速了解宇宙終極奧義
    作為一個文科女生,我對於「宇宙開端在何處」、「宇宙的終點在哪裡」這些問題也十分感興趣。但是,翻開滿眼都是密密麻麻公式和數字的硬教材對我來說,簡直像是天書,完全沒有讀下去的欲望。難道對我們這種普通文科女來說,了解宇宙終極奧義,只有「找一個擅長科普的理科男朋友」這一條出路了嗎?當然不是,在這裡,就向姐妹們強烈安利了解宇宙學的幾種方法,讓你輕鬆又有效率地學習物理知識。
  • 量子實驗得出全新時空觀,與愛因斯坦和牛頓的時空觀截然不同
    我們習慣於空間和時間存在的真實性,正如我們習慣於眼睛所看到的東西就是真實的一樣。如果有人站出來說,我們對時間和空間的理解,從根本上就是錯誤的,甚至是顛倒的,估計八成會被認為是瘋子的話語。
  • 相對論和量子力學的「大一統」理論何時才能解除封印?
    狹義相對論即使被發現,也不會叫這個名字,一般會叫做XX定律或者XX力學或者XX方程組XX相對性原理;狹義相對論即使被發現也不會很早,的確當時物理學出現了一些困難:麥可遜――莫雷的「以太漂流」實驗否定了絕對靜止的「以太」的存在,測得的光速相對於不同參考系是不變的。
  • 經典物理學的時空框架——絕對時空觀
    這是我國古代道家對於宇宙的理解,「宇」在句中很明顯是上下以及前後左右的意思,也就是指所有的空間,而「宙」的意思是古往今來,很明顯指的是所有的時間。把「無限的空間」和「無限的時間」加在一起,就是我國古人所認識到無限的沒有得始終的時空,他們稱之為「宇宙」。
  • 【宇宙探秘】時間是否真的存在?是否只是我們對過去現在未來的一種...
    以太平均分布在整個宇宙中,處於絕對靜止狀態,所以時間也是絕對的,是宇宙變化、物體運動的共同的參照物,就像一個均勻流動、方向單一的參考系,但不會對任何物質產生影響。 愛因斯坦的時空觀 時間之矢 我們可以發現無論是上面哪一派,只要討論時間都離開不萬物變化。熱力學第二定律(熵增定律)告訴我們,一切孤立系統的混亂程度都會增加,直到混亂最大化,這是一個不可逆的過程,所以宇宙的每一個角落,萬事萬物都在奔向無序,不存在絕對靜止。
  • 光子上的時間是否靜止?
    反命題:如果宇宙存在了無限久,那為什麼達到此時此刻需要無限的時間?康德的這一組二律背反取決於絕對時空觀。而霍金告訴我們:談論宇宙大爆炸之前的時間沒有意義。靜止的物質永遠只是相對的,而運動的物質才是絕對的。比如原子核外的電子出現在某一位置完全是隨機的,真空中一直存在正反粒子對的產生和湮滅,宇宙中沒有絕對靜止的事物。大爆炸之後物質總是在運動,運動帶來了變化,物質的變化就是用時間來度量的。宇宙大爆炸之前沒有物質,沒有變化,所以就沒有時間。
  • 有人認為相對論誤導了科學家思維,導致物理科學停滯,是這樣嗎?
    1898年發表了《時間的測量》,提出光速不變性假設,1902年提出相對性原理,1904年他命名洛倫茲變換,1905年早於愛因斯坦發表《論電子動力學》,這些內容與狹義相對論很相似,只是最終並沒完成,因為他雖然認識到了時空與光速的關係,但他並不願真正放棄絕對時空觀。
  • 相對論:達到光速時間就靜止,假如光速飛行,人能長生不老嗎?
    愛因斯坦的相對路為人類認識世界打開了一扇新的窗戶,人類從牛頓的經典力學的絕對時空觀進入到了相對論時空觀的時代,在時空這個度規裡,我們再也回不到溫暖的、經典的世界!達到光速,時間就靜止,到底是什麼意思?其實相對論中並沒有達到光速時間就靜止的理論,它只是狹義相對論中的一個推論!
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    愛因斯坦的相對路為人類認識世界打開了一扇新的窗戶,人類從牛頓的經典力學的絕對時空觀進入到了相對論時空觀的時代,在時空這個度規裡,我們再也回不到溫暖的、經典的世界!
  • 如果沒有愛因斯坦,那麼相對論還能被發現並提出嗎?
    愛因斯坦在1905年提出了狹義相對論(論動體的電動力學),1916年正式發表了廣義相對論。在提出狹義相對論之前,洛倫茲、麥可遜-莫雷實驗等等都給了愛因斯坦啟發,在他們的基礎之上,愛因斯坦果斷的拋掉了以太概念,以光速不變為假設提出了區別於牛頓時空觀的新的時空理論。按照這個理論的成型來看,即便愛因斯坦沒有提出,我想幾年之內還會有人提出,因為這個理論已經呼之欲出了。
  • 二十世紀物理學的高峰相對論
    狹義與廣義相對論的分別傳統上,在愛因斯坦剛剛提出相對論的初期,人們以所討論的問題是否涉及非慣性參考系來作為狹義與廣義相對論分類的標誌。隨著相對論理論的發展,這種分類方法越來越顯出其缺點——參考系是跟觀察者有關的,以這樣一個相對的物理對象來劃分物理理論,被認為不能反映問題的本質。
  • 宇宙中有什麼物體是絕對靜止的嗎?
    曾經我們都覺得有絕對靜止的物體存在,畢竟事實擺在眼前,幾十年前上學的小學它一直在那裡,你想回去就能回去懷念一下,你上下班的公司位置從來都沒有改變,而你家在你心中的位置似乎從未曾動搖,但相對運動告訴我們沒有什麼物體是靜止不動的,而廣義相對論則告訴我們連宇宙都在不斷長大!