相對性原理,伽利略相對性原理,狹義相對性原理,廣義相對性原理。各有什麼特點?
我們說相對性原理是力學的基本原理。比如,運動的相對性,首先要有一個參考物,如果沒有參考物,那麼你對其運動就無法判斷。
下面分別說一下伽利略相對性原理,狹義相對性原理,廣義相對性原理。各有什麼特點?
一.伽利略相對性原理
什麼是伽利略相對性原理呢?伽利略相對性原理是指經典力學定律在任何慣性參考系(慣性系)中數學形式不變,換言之,所有慣性系都是等價,平權的。
伽利略用物理學原理為哥白尼地動學說進行辯解時,應用運動獨立性原理通俗說明了石子從桅杆頂上掉落到桅杆腳下而不向船尾偏移的道理。進一步以作勻速直線運動的船艙中物體運動規律不變的著名論述,第一次提出慣性參考系(慣性系)的概念。這一原理被愛因斯坦稱為伽利略相對性原理,是狹義相對性原理的先導。從伽利略變換可以導出力學相對性原理。
我們看到,伽利略的慣性系的相對性原理在實際的應用中起到了了不起的理論基礎作用。
換一句話來說,伽利略的相對性原理指出了運動的根本性質。
由於時代的局限性及伽利略時代的科技水平還不足以更深層次的認識世界,愛因斯坦狹義相對論的提出,為我們認識這個世界打開了一扇大門。
二.狹義相對性原理
狹義相對性首先否定了所謂的「以太」,即一切物理定律(力學定律、電磁學定律以及其他相互作用的動力學定律)在所有慣性參考系(慣性系)中都是等價(平權)的,沒有一個慣性系具有優越地位,不存在絕對靜止的參考系(以太),從而否定了「以太說」和絕對空間。或者說,一切物理定律在洛倫茲變換下數學形式不變。顯然,這個原理是力學中的伽利略相對性原理的推廣。
同時,愛因斯坦提出了「光速不變」原則,這一理論豐富並發展了伽利略的相對性原理,使物理學進入相對論時代。
但是,狹義相對論並不能完全解釋時空概念,因此,之後的廣義相對論的提出,對相對性原理的解釋更近了一步。
三.廣義相對性原理
不得不說,愛因斯坦是聰明的。
愛因斯坦在深入分析引力質量同慣性質量等價的基礎上,提出引力場與加速度場局域等效的概念;將狹義相對論中慣性運動的相對性推廣到加速運動。
為了說明這一點,愛因斯坦做了一個著名的電梯實驗。
這一實驗,得出了一個重要的結論:引力場與加速度是等效的概念。
狹義相對論是以四維平直空間中的勻速直線運動為考察對象的,適用於一切慣性系,但無法說明非慣性系中的運動現象。為了克服狹義相對論的不足,將狹義相對論推廣到具有加速度的非慣性系中,愛因斯坦運用了電梯思想實驗為人們打開思路。
在一理想的摩天大樓的頂上,有一正在下降的電梯。在該電梯內,有一物理學家在做實驗。突然,電梯的鋼纜斷了,於是,電梯便處於自由落體狀態向地面降落。在降落的過程中,電梯內的實驗者,拿出一塊手帕和一隻表,然後鬆開雙手。這兩個物體會怎樣運動呢?電梯外的觀察者以地球作為參考系,他會發現:手帕、表和電梯連同它的天花板、四壁、地面以及裡面的實驗者等,都以同樣的加速度下落。而電梯裡面的實驗者則會以電梯作為參考系,因為引力場在這一參考系之外而不被考慮,他會發現手帕和表由於不受到任何力的作用,而處於靜止狀態。在等效原理的幫助下,電梯思想實驗告訴我們,引力場和加速度是相等的。廣義相對論成功地拓展到了非慣性系中。
小結:相對性原理首先是由伽利略提出的,科學是發展的,進步的。愛因斯坦在伽利略相對性基礎上,提出了狹義相對論及廣義相對論的概念,尤其是廣義相對論成功地拓展到了非慣性系中,及大地推動了物理學的發展進程。