
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。