愛因斯坦的「狹義相對論」

2020-12-06 科學情報館
愛因斯坦

提起愛因斯坦,可謂是家喻戶曉,但是關於他提出的「狹義相對論」,又有多少人知道呢?

狹義相對論包含了兩個基本原理:狹義相對性原理和光速不變原理。所謂狹義相對性原理就是說所有物理定律在所有慣性參考系中都是有效的;光速不變原理就是說光總是以一個確定的速度傳播,傳播速度的大小與光源的運動狀態沒有關係。在經典力學中,物體的運動速度跟觀察者所處的慣性參考系統有關,而光速不變原理卻與之不相容。有了這兩條基本原理,我們才能更好地理解狹義相對論。

(1)狹義相對性

天才的愛因斯坦僅僅用了幾頁紙就推導出了狹義相對論的理論,其中的許多結論在之前就已經出現過,但是它們現在被統一在一起,並賦予了一個清晰的物理解釋。例如:時間膨脹效應是真實存在的,並非虛構,運動的時鐘真的會慢下來。

閔可夫斯基發現了一個解釋狹義相對論的方法,他一手打造了「時空」這個概念,我們稱之為「閔可夫斯基時空」。也就是說時間和空間是交織在一起的,你可以想像一張在時間和空間中時間發展的地圖:在地圖的底部是遙遠的過去,在地圖的頂部是遙遠的未來,左側和右側對應著不同的地方。閔可夫斯基意識到,運動的時候,你朝向時空中的不同方向,運動方向並不是垂直向上,而是向左或者向右傾斜。從數學層面理解,這就是做了一個旋轉變換,一部分空間變成了時間,一部分時間變成了空間。

(2)光速不變原理

按照經典力學中慣性參考性的方法,人們開始研究光速的變化問題,其中最著名的就是美國物理學家麥可遜和莫雷在1887年開展的實驗。他們試圖尋找地球自轉、公轉過程中光速改變的證據。然而無論怎麼仔細觀測,結論還是一樣的,光的速度是不會變的。

愛因斯坦意識到,狹義相對論是有局限性的,只有在參考系之間是勻速的時候,它才可以提供不同參考系之間的轉換關係。在狹義相對論裡,沒有什麼東西的運動速度可以快過光速。

相關焦點

  • 愛因斯坦是如何發現狹義和廣義相對論的?
    相對論創立初期整個理論體系就非常完善了,但是壓根沒人相信他,為什麼?就是因為沒有實驗驗證,直到愛丁頓在1919年觀測到了和廣義相對論相符的日食現象,愛因斯坦和相對論才開始慢慢被大家接受,而愛因斯坦提出狹義相對論的那一年是1905年,足足過去了14年。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    上篇:《相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(上)》16不存在絕對運動馬赫對愛因斯坦創立狹義相對論的影響是非常巨大的。愛因斯坦在學生時代就讀過馬赫的《力學史評》,奧林匹亞科學院(大學剛畢業的愛因斯坦和幾位朋友創建的一個以科學和哲學的交界問題為主題的學習小組。
  • 愛因斯坦是如何想到狹義相對論的?
    在狹義相對論被發現的過程中,不少科學家都已經接近相對論,所以愛因斯坦自己都說過:如果我不發現狹義相對論,2年後也會有人發現。因為當時的科學發展,從牛頓力學和電磁學已經無法解釋光速不變這一現象,但是無數實驗又告訴我們,光速就是不變的,所以人們只需要改變自己長久以來的常識,並默認光速不變這一事實,都可以推出狹義相對論。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論
    這篇文章的主題是狹義相對論的誕生,我不可能把所有的以太實驗都列出來,那夠寫一本書了。這裡只介紹幾個跟愛因斯坦創立狹義相對論關係比較大的實驗。所以,愛因斯坦提出了狹義相對論之後,洛倫茲一方面對愛因斯坦的工作大加讚賞,另一方面卻依然堅持自己的以太,這是很多人難以理解的。在狹義相對論之前堅持以太就算了,怎麼狹義相對論都出來了,你還堅持以太?
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    創立狹義相對論的影響是非常巨大的。再講一下質能方程,狹義相對論就算講完了。這點我們從狹義相對論的創立時間表裡也能一窺一二:愛因斯坦花了10年時間思考狹義相對論,用了整整1年時間去協調相對性原理和光速不變。
  • 為什麼愛因斯坦狹義相對論中的光速不能被超越?
    事實上,牛頓力學是這樣認為,叫做速度疊加公式,而愛因斯坦的狹義相對論中也有速度疊加公式,它的速度疊加公式是符合光速不變的假設的。牛頓力學的速度疊加公式牛頓是一個非常偉大的科學家,他的偉大成就不僅僅是提出了微積分,而且提出了牛頓三大定理,以慣性係為基礎,提出了宏觀、低速的條件下力的運動規律。
  • 愛因斯坦狹義相對論中最重要的悖論埃倫費斯特悖論
    埃倫費斯特悖論是埃倫費斯特針對狹義相對論提出的一個思維實驗。為了解決悖論,你會發現狹義相對論真的是不夠用了,必須要引入廣義相對論的基本假設才能解釋。這個悖論也大大啟發了愛因斯坦去思考廣義相對論的問題。1. 埃倫費斯特悖論1.1 圓的周長首先來複習一下最基本的幾何知識。
  • 怎樣理解狹義相對論——狹義相對論簡析
    狹義相對論主要是解決麥可遜-莫雷實驗中得到的光速各向不變的結果裡的速度疊加矛盾的。 空間簡化為一維的二維時空坐標由於時間和空間上的洛倫茲變換預示了光速是宇宙中的極限速度,所以當諸如火箭上發射火箭這樣的速度疊加不能再用經典理論裡的速度疊加,而要用狹義相對論的速度疊加
  • 神奇的愛因斯坦狹義相對論的公式推導
    相對論的產生歷程愛因斯坦思考了十年之久才創立狹義相對論,中間的思考過程非常複雜又極其精彩。
  • 請問,愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證?
    請問,愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證?這些驗證實驗具體如何做的?狹義和廣義相對論都由愛因斯坦分別在1905年和1915年提出,是世界上最先進的科學理論,為基礎物理奠下了堅實的基礎。也都已經被世界各國嚴格驗證很多遍,種種實驗和觀察都驗證了兩大相對論的正確性,今年的「M87黑洞」照片就是有力的證明。大多數人比較熟知廣義相對論,因為今年4月10日公布過第一張M87黑洞照片,讓大眾上了一堂科普課。而狹義相對論所知者並不多。
  • 美國物理學家精確實驗 證實愛因斯坦狹義相對論
    新華網洛杉磯12月22日電(記者陳勇)美國國家標準技術研究所和麻省理工學院的物理學家說,他們通過迄今最直接、最精確的實驗證明了愛因斯坦狹義相對論中著名的質能公式。  質能公式(E=MC2)指出,物質的總能量相當於其質量乘以光速的平方。它表明能量和質量可以互相轉換,而光速是恆定不變的常數。
  • 恆定的光速:愛因斯坦的狹義相對論經受住了高能量測試的考驗
    愛因斯坦的理論永不失敗坐落在墨西哥皮裡·德奧裡扎巴國家公園的HAWC伽馬射線天文臺探測到來自13500英尺高空的宇宙射線。內格拉火山在背景下若隱若現。愛因斯坦的狹義相對論在其最嚴峻的考驗中倖存了下來。哈丁補充道:「大多數量子力學模型表明了相對論的表現能力將會被在高能狀態下破壞,」「我們把對這一些高能光子能量的觀察尺度提高了一百多倍。」在未來HAWC的數據可以更遠的推動這些的限制,有利於對狹義相對論提供更嚴格的測量。
  • 狹義相對論和廣義相對論的區別是什麼?
    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。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。
  • 為什麼廣義相對論比狹義相對論更完善?原因就在這裡!
    愛因斯坦有兩大著名的相對論,一個是狹義相對論,另一個則是廣義相對論。狹義相對論的提出早於廣義,並且狹義相對論的範圍並沒有廣義那麼大,而且不涉及引力。在愛因斯坦提出狹義相對論之後不久大約10年,廣義相對論便誕生了。
  • 狹義相對論的困難,驚心動魄的十年
    1905年,愛因斯坦發展出了狹義相對論,把空間和時間聯繫在一起。光速不變原理和相對性原理在這之中起了重要作用。相對性原理告訴我們,一切慣性系都是平權的,並不存在一個特殊的絕對空間和絕對時間;光速不變原理還告訴我們,光在任何慣性系當中的速度都是一樣的。愛因斯坦通過這兩個原理,獨自推導出了洛倫茲變換。
  • 狹義相對論誕生114周年,今日頭條上線愛因斯坦開屏
    2019年6月30日是狹義相對論誕生114周年紀念日。當天,今日頭條客戶端上線愛因斯坦定製開屏。海報以愛因斯坦為主體,繪製了時間膨脹鍾、光錐、數學公式等元素,以紀念愛因斯坦在經典力學領域作出的傑出貢獻。
  • 廣義相對論和狹義相對論
    段子來源於網絡這回大家懂了不,相對論,就是一個關於時間,空間,引力的理論。李金老師的話來說就是這些玩意兒都不是一個絕對的值,你以為的五分鐘在別的地方可能是五萬年,全都是相對的。此套由愛因斯坦老爺子創建。
  • 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!
  • 狹義相對論和廣義相對論到底有啥區別?
    之前的所有文章,我們多次談到相對論中的時間膨脹和長度收縮概念,其實這裡所說的相對論僅僅是狹義相對論,其中長度收縮僅僅是一種相對效應,也就是地面人看運動的物體,長度變短了,但是運動物體自己看自身,長度依然是沒變的,這就是長度的相對性,如果不理解這個,可以翻翻前面的文章看下。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(上)
    這裡只介紹幾個跟愛因斯坦創立狹義相對論關係比較大的實驗。已經講了,愛因斯坦主要是從協調牛頓力學和麥克斯韋電磁理論的角度來創立狹義相對論的。而洛倫茲對電動力學的研究,特別是1895年的這篇論文,對愛因斯坦創立狹義相對論有很大的影響。