如何用簡單數學推導出相對論方程?

2021-02-15 Peter的工作室
Peter的公眾號

點擊標題下方藍色字關注 Peter的工作室

愛因斯坦在 1905年就發表了狹義相對論,

大家或多或少都了解時間膨脹的結論,

就是 相對於慣性系移動的物體 時間會變慢

但這是為什麼呢?

今天我們來嘗試使用,初中的數學知識,不嚴謹地推導一下。

推導之前,我們先規定2個假設:

第一個是,在不同的慣性系中,物理規律都相同。

第二個是,光速在不同慣性系中 大小都一樣。

在本例中就是靜止的地面 和車上勻速運動的參考系 物理規律都一樣,

且車上和車下的光速都是c

我們假設有一輛車

地板上有一個光源,車頂有一面鏡子,車的高度為h,

車子從A點以速度v勻速出發,

這時,地板光源發出光,

光遇到鏡子後又會被 反射回光源處,

這時車子行駛到B點。

從車內的人來看,光線是直上 直下的。

從車外的人來看,光線是斜上 斜下的。

我們來算一下光傳播的時間。

也就是車子移動這段距離所需要的時間:

先從車內的人的角度看,

車內的時間 等於 光走過的距離 除以 光的速度

由於光直上 直下,

所以等於 2倍的h 除以 光速。

我們再從車外的人的角度看,

由於光斜上 斜下,

與地面構成了一個直角三角形 A C M

根據勾股定理

得到AC邊的平方 = AM邊的平方 減去CM邊的平方

AC 等於車速乘以車外人的時間 除以 2 

AM 等於光速乘以車外人的時間 除以2

CM 等於車廂的高度

根據前面的公式: 

車內的時間等於2倍車廂高度再除以光速

可以算出車廂高度等於 光速乘以車內的時間再除以 2

所以得到這樣一個車內和車外的時間與 車速之間關係的公式,

我們把這個式子的平方展開,

再進行一步步的化簡,

然後可以約掉相同的項,

最後得到了車外的時間和車內的時間 的一個關係式。

因為根號內的數必須要大於0才有意義,

且車速和光速比值的平方 一定大於0 且小於1。

所以車速永遠都不會超過光速,

那麼推廣一下 光速就是我們這個宇宙的極限速度。

而因為右邊這個式子的分母 永遠都會小於1

所以得到 車外的時間 一定會大於車內的時間。

也就是說

地面上的人 和車內的人的時間 是不一樣的,

從地面上 人的角度來看,自己的時間過得比較快,

而車內的人的時間變慢了,不管是物理、化學、生命過程都變慢了。

反過來,從車內 人的角度來看,車外的 人的時間也變慢了,

因為時間不是絕對的, 時間膨脹都是相對的。

相關焦點

  • 科普:從廣義相對論的場方程出發對哈勃定律的推導!
    儘管我們對廣義相對論的理解還極其的淺顯,還僅僅停留在數學推導的層面,距離從哲學或者物理學層面去接受廣義相對論,還極其的遙遠。但這不妨礙我們通過廣義相對,去驗證或者去推算一些已經存在了超過半個世紀的天文觀測結果,比如今天要討論的哈勃定律。
  • 史上最成功的數學預測:用狄拉克方程推導出電子自旋
    時, 他指的是這樣一個事實:自然界大多數的基本過程都遵循著優雅的數學關係。科學之所以如此成功,是因為理論科學家可以用數學做出預測,而實驗科學家可以檢驗這些預測。這樣的例子有很多,比如:當天文學家發現天王星運動的速度比牛頓引力定律預測的要快後,他們成功地利用數學預測了海王星的存在。
  • 史上最成功的數學預測:用狄拉克方程推導出電子自旋
    時, 他指的是這樣一個事實:自然界大多數的基本過程都遵循著優雅的數學關係。科學之所以如此成功,是因為理論科學家可以用數學做出預測,而實驗科學家可以檢驗這些預測。這樣的例子有很多,比如:當天文學家發現天王星運動的速度比牛頓引力定律預測的要快後,他們成功地利用數學預測了海王星的存在。
  • 愛因斯坦引力方程的推導——從簡單的論證中得到愛因斯坦方程
    方程7:平閔可夫斯基式時空中的時空間隔,用非慣性坐標表示。推導出愛因斯坦引力定律在牛頓物理學中,描述引力場的方程是用引力勢U表示的。當沒有引力時,U=0。但受其場作用的測試粒子在物體外部時,有U = 0,在有問題的地區,該方程變為 U=4πGρ。
  • 科普:廣義相對論中愛因斯坦場方程的導出
    而愛因斯坦場方程則是廣義相對論的最凝練的核心數學表達式,愛因斯坦場方程對很對人來說是非常神聖和神秘的。今天,我們準備寫一篇簡單的科普文章介紹一下愛因斯坦場方程是如何推導出來的。或許要請大家做好心理準備,愛因斯坦場方程的推導並不是從數學或者物理上通過數學定律或者物理定理嚴格推導出來的,而是通過對物理的深層次的認知,加上對數學的精通,猜測出來,是的,是一個美妙的物理直覺性的猜測結果!
  • 神奇的愛因斯坦狹義相對論的公式推導
    簡單的說,愛因斯坦看到牛頓力學和麥克斯韋電磁理論有不可調和的矛盾(因為後者不滿足伽利略協變性)。為了調和它們,他考慮了電磁感應實驗,思考了一些一階以太實驗,研究了洛倫茲的電子論,接受了馬赫對牛頓力學的批評,創造性地解決了時間問題,最終得到了相對論。
  • 相對論和統一場論中時空方程的相互推導
    相對論沒有給出時間的物理定義,而統一場論給出了時間的物理定義,並且揭開了時間、空間的本質,提出了矢量光速的概念,擴展了相對論的內容。這篇文章介紹統一場論時空方程和相對論時空方程的相互推導。三,如何描述空間本身的運動?我們把空間分割成許多小塊,每一小塊稱之為空間幾何點,簡稱幾何點,或者叫空間點。幾何點運動所走過的路線叫幾何線。描述這些幾何點的運動,就可以描述出空間本身的運動。四,時空同一化方程。
  • 我旅美科學家推導出"大統一場理論"線性方程
    美國史丹福大學華裔科學家張首晟教授和他的學生胡江平所開展的研究工作,為建立「大統一場理論」提出了一個新方向,這很可能找到一種方法,使表面上看去互不相容的量子力學和廣義相對論相互統一起來。張首晟的有關研究成果刊登在將於10月26日出版的《科學》雜誌上。為進一步了解張首晟的研究成果,記者通過電話採訪了遠在美國西海岸的張首晟。
  • 相對論質能方程是如何推導出來的?物理意義是什麼?
    相對論的質能方程,可以根據相對論的質速關係直接推導出來。質速關係質能方程是相對論的直接推論,也是物理學中最美妙的方程之一;要推導質能方程,我們需要用到相對論的質速關係方程:該方程描述到,物體的質量並非一成不變,而是隨著物體速度的增加而增加;同時也指出,物體在無限接近光速時,物體質量將趨向於無窮大,暗示著擁有靜止質量的物體不能達到光速
  • 想深刻了解廣義相對論的推導和相關解,請讀這篇文章
    場方程的很多解都是這樣說的,但我們還是有很多疑問。今天我們來看看場方程是如何推理的,每個人了解了它的推理過程,總是一件好事。【愛因斯坦場方程推導形式有多種,如果需要更專業的推導過程,我推薦去看題為《愛因斯坦場方程推導過程的邏輯梳理》以及《最美麗的理論:愛因斯坦引力場方程的推導》。本書是帶有科普性質的書籍,所以更側重推導邏輯和簡單性,大家可以參考下文的推導。
  • 洛倫茲因子(相對論因子)在光速條件下的有限解——推導過程
    洛倫茲還推導出了最終在愛因斯坦的狹義相對論(1905年)中扮演重要角色的變換方程。這篇文章是關於後者的成就。然而,需要考慮的最明顯的例子是相對論的質量-能量-動量方程,它支撐著愛因斯坦提出的狹義相對論,其表述如下:Eq.3
  • 橢圓的定義及其方程推導
    橢圓與圓的關係圓是一個很簡單很對稱的圖形,它是平面中到圓心的距離為定值的所有點組成的圖形。假設有一條繩子,它的兩個端點是固定的,繩子長度超過兩個固定點的距離,拿一枝筆將繩子拉直,用這支筆繞一周畫出來的圖形軌跡就是橢圓,兩個固定端點就是橢圓的焦點。橢圓的形狀、方向橢圓是一個平面圖形,對於平面圖形我們通常會想辦法建立坐標系來進行表示。
  • 質能方程E=mc^2是如何被愛因斯坦發現的?
    那狹義相對論到底包含了哪些內容呢?如果非要用一句話來概括的話,那就是愛因斯坦在狹義相對論當中先是統一了「時間」和「空間」。他認為應該將兩者並稱為時空;其次,他統一了「能量」和「質量」,這也就是質能等價的內容,他認為能量和質量其實是一回事。那質能方程其實是利用了狹義相對論中的理論推導而來的。
  • 5分鐘看懂,廣義相對論的核心方程是這樣來的
    無論是愛因斯坦還是圓周率,都在科學和數學中扮演著重要的角色。但這兩者之間還有更緊密的聯繫嗎?當然有,我們只要看看愛因斯坦的方程就知道了。這裡,我指的是「真正的」愛因斯坦方程,而不是眾所周知的E=mc²(這是狹義相對論的一個非常簡單的結果,而不是一個基礎關係式)。
  • 最美麗的理論:愛因斯坦引力場方程的推導
    廣義相對論中的時空在狹義相對論中,閔可夫斯基距離表現為以下形式:公式3:狹義相對論中的閔可夫斯基距離。其中dτ表示其本徵時間。沿世界線的本徵時間(物體在時空中的軌跡)是由沿著該線的時鐘測量出的時間。閔可夫斯基區間方程3用該坐標表示如下:公式6:勻加速的參考系中的閔可夫斯基距離。現在,在變換方程5中選擇時間小於或等於c/g的次數,並進行簡單展開,即新的時空間隔方程3變成:公式7:用非慣性坐標表示的平直閔可夫斯基時空中的時空間隔。
  • 質能方程是如何推導出來的?
    質能方程的推導需要用到狹義相對論中的質速關係(從洛倫茲變換中得到):質速關係表明,物體的慣性質量並非一個不變的常數,而是會隨著速度v的加快而變大。當速度v趨於光速c時,原本靜質量只有m0的物體,運動質量m會增大到無窮。
  • 愛因斯坦的狹義相對論到底什麼意思?如何通俗地理解?
    通俗的語言來講,狹義相對論就是建立在兩個基本前提下推導出來的理論,這兩個前提就是光速不變原理和等效性原理,其中光速不變原理是非常重要的一點,講的是光速與光源以及光源的運動狀態沒有關係,它是一個常數,在任何運動狀態和參照系下都是光速!
  • 愛因斯坦相對論證明勾股定理,人教版數學教材引圍觀
    如果設直角三角形的兩條直角邊長度分別是 a 和 b,斜邊長度是 c,那麼可以用數學語言表達為「a⊃2;+b⊃2;=c⊃2;」。勾股定理是數學定理中證明方法最多的定理之一,現存幾百種證明方法。不過,用愛因斯坦相對論中的質能方程證明勾股定理,是怎樣的一個過程?
  • 這個公式根據什麼推導出來的?
    關於這個問題,很多回答已經解釋的很詳細了,不過如果你不是理科生或者物理專業的,又沒有學過數學微積分(簡單的就行),就算給你推導的整個過程,你也未必能看明白!
  • 哪個物理學或者數學方程很重要?
    著名的物理學和數學公式包括:廣義相對論的引力場方程、歐拉恆等式、質能方程、粒子物理標準模型的拉格朗日量、麥克斯韋方程組、雅各布螺線方程。這裡就來簡單介紹一下一個源自於愛因斯坦引力場方程的極為重要方程:弗裡德曼方程。