牛頓力學、狹義相對論和廣義相對論,通俗的講一下這些不通俗的事

2020-12-05 科學信仰

牛頓,可以說是最為普羅大眾所熟知的一位科學家了。因為人人都知道萬有引力,而知道了萬有引力,自然也就知道了牛頓。牛頓所創建的牛頓力學體系可以說是近代物理學的基石。然而,牛頓力學體系並不完美,甚至可以說並不是一種普遍的規律,其所描述的其實是一種普遍規律之中的一小部分特例,所以,之後便有了愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論,終於算是將力和運動的事情給說明白了。那麼,什麼是牛頓力學、狹義相對論以及廣義相對論呢?這些是複雜而高大上的話題,不是一句兩句,一天兩天能夠說清楚的。

不過,我們普羅大眾沒有必要了解得那麼深奧,我們只需要通俗的弄明白這些都是怎麼回事就可以了。那咱們就來通俗的講一下。首先,牛頓力學。牛頓力學告訴我們速度是疊加的。然後我們發現果然是這樣。舉例,一個人站在地上,從他的面前飛馳而過一輛火車,速度為每秒20米。火車上有一人奔跑,速度為每秒1米。此時在火車外站著的人看來,火車上奔跑者的移動速度為每秒21米。相對於觀察者而言,火車和奔跑者的速度是疊加的。這沒有問題。可是當速度逐漸加快的時候,問題就來了,比如光速。

光速是恆定不變的,對任何參考系而言都不變。如果在火車上發射一道光束,那麼無論對於火車上的人而言,還是對於火車下的人而言,光速都是每秒30萬公裡,並不會疊加火車的速度。只不過火車上的人和火車下的人的時間發生了變化,火車下面人的時間變慢了。也就是說牛頓力學只能夠適用於低速運動,只是運動處於低速時的一種特例,無法適用於所有的運動。於是,愛因斯坦發明了狹義相對論。沒有人知道光速為什麼不變,所以愛因斯坦就在光速不變的前提下開始進行推導,結果發現,既然光速不變,那麼在運動的過程中,物體的時間、質量等都會發生變化。

於是就有了e=mc^2。於是我們也知道了,隨著物體運動速度的加快,質量會越來越大,當有質量的物體接近光速的時候,質量將趨向於無窮大,所以任何有質量的物體都無法達到光速,所以光速為宇宙間物體運動的最快速度。那麼何為廣義相對論呢?愛因斯坦發明的狹義相對論有一個問題,那就是應用範圍過於狹窄了,狹義相對論只能應用於慣性系之中,也就是只能夠解釋在沒有引力情況下的運動。因為一旦有引力,就會出現一個加速度的問題,而狹義相對論無法處理這個問題。可問題是引力是客觀存在的,必須設法解決。

於是愛因斯坦在其中加入了一個自由下落的參考系。比如我們坐在一個貨櫃中,從萬米高空急速下落,此時我們就會在貨櫃內懸浮起來,而我們懸浮的這個狀態表面上看起來就和處於無引力場的空間中一樣。所以愛因斯坦認為自由下落的參考系和無引力場的慣性系的物理特性是一樣的。於是,我們可以給任何事物增加一個自由下落的參考系,增加完參考系,這個事物就變為了一個無引力場的慣性系,然後就可以運用狹義相對論進行解釋了。而加入的自由下落參考系則是時空,所以在廣義相對論中引力被描述為了時空的彎曲。

相關焦點

  • 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。
  • 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。要知道,我們在使用牛頓力學時,是需要先選定參考坐標的。因此,科學家就在思考,是不是存在一個奇怪的坐標系,讓光速一直保持一個速度,它們管這個叫做以太。於是,一群科學家就拼了命地去找「以太」,然後他們接二連三地失敗了。後來,26歲的愛因斯坦提出了狹義相對論。
  • 愛因斯坦的廣義相對論到底講的什麼?如何通俗地理解?
    說白了,廣義相對論就是把引力解釋為時空彎曲的理論。牛頓的經典力學提出了萬有引力,但沒有指出萬有引力產生的原因,即為什麼會產生萬有引力!   而廣義相對論給出了答案,認為引力是有時空彎曲引起的,引力只是時空彎曲的一個表象,任何具有質量的物體都會對周圍時空產生影響
  • 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!
  • 看完這部紀錄片,你就知道相對論和量子力學到底在講什麼了
    相對論和量子力學,上世紀科學史上最璀璨的兩顆明珠。經常會聽到相對論和量子力學的相關消息,但總是與高深理論等字眼聯繫在一起,普通人似乎無法接近。但這部紀錄片——《宇宙的構造》,用同通俗的語言和絢麗的畫面向大眾科普了相對論和量子力學,普通人看完這部紀錄片,基本就能了解相對論和量子力學主要講了些什麼。紀錄片共4集,第一集講空間;第二集講時間,第三季將量子力學,第四集講多重宇宙。相對論分為狹義相對論和廣義相對論,舉幾個典型的例子,看看格林是怎麼用畫面來講述狹義相對論的。
  • 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。
  • 狹義與廣義相對論淺說---廣義相對論1
    歡迎廣大宇宙愛好者持續關注我們微信平臺!宇宙解碼公眾平臺即將推出科幻故事連載活動,將會在每周六或周日發布一篇精選科幻故事,覺得好看就分享給朋友吧!但是,對於這個參考物體存在著(在煞車期間)一個方向向前而且對於時間而言是可變的引力場,在這個場的影響下,路基連同地球以這樣的萬率作非勻速運動,即它們的向後的原有速度是在不斷地減小下去。」
  • 很多人認為相對論很深奧,如何通俗地理解愛因斯坦的相對論?
    愛因斯坦的相對論分為狹義相對論和廣義系相對論,狹義相對論適用於慣性參照系,忽略了引力的作用,而廣義相對把慣性參照系擴展到任何參照系,把慣性質量等效為引力質量!
  • 通俗理解狹義相對論的兩個基本原理
    創立狹義相對論的背景人們從傳統的時間、空間和運動的觀念出發,看到電磁現象是不服從伽利略相對性原理的(牛頓力學的核心雖然是絕對時空觀,但牛頓依然承認伽利略的相對性原理,因為牛頓認為絕對時空觀說的是空間本身,並不指個體的運動)。
  • 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。
  • 為啥牛頓力學和狹義相對論都不適用於微觀世界?
    前面我寫了狹義相對論相關文章,也介紹了牛頓力學和狹義相對論各種的適用範圍,但是這兩個理論都有一個特點,不太適用於微觀世界,為啥會出現這種情況呢,今天我就來談談這個問題。首先牛頓力學的適用範圍不如愛因斯坦的狹義相對論,因為牛頓力學必須是在宏觀低速情況下才是正確的,一旦運動物體速度超過0.1倍的光速後,必須用狹義相對論來計算才正確,所以狹義相對論更加接近事實真相,但是這兩個理論的適用範圍都是「宏觀世界」,一旦到了微觀世界,兩個理論都馬上歇菜了。
  • 一口氣通俗理解《狹義相對論》時間膨脹效應
    《狹義相對論》也是如此,因為在日常生活中,我們所接觸的一切事物,如果利用《狹義相對論》來計算更精確,但是與我們原本的常識之間的誤差,更加微不足道,除非利用更加精密的儀器,否則你要突然蹦出來一句「時間是相對的,我的時間比你走得慢」,肯定分分鐘讓吐沫淹死。實際上狹義相對論並非難以攀登,就是一層窗戶紙,捅破了也就破了。
  • 通俗的解釋愛因斯坦相對論到底說的是什麼?
    相對論包含兩個不同的元素:廣義相對論和狹義相對論。狹義相對論首先被介紹,後來被認為狹義相對論是更全面的廣義相對論的特例。廣義相對論是阿爾伯特·愛因斯坦在1907年至1915年間發展起來的一種引力理論,1915年之後,許多人為驗證廣義相對論做出了貢獻。
  • 廣義相對論和量子力學到底有多矛盾,我們有沒有可能將二者統一?
    然而,牛頓的理論並不完善,他雖然說明了引力的作用,但是卻無法解釋引力從何而來,引力的本質到底是什麼?這個問題困擾了無數的科學家很多年,直到一位可以稱之為天才的科學家出現了,這個偉大的科學家就是我們耳熟能詳的愛因斯坦。愛因斯坦的最大貢獻在於廣義相對論,不論你是否明白廣義相對論到底講的什麼,當相信你一定都聽過這個名詞。那麼廣義相對論到底講了什麼呢?
  • 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。
  • 廣義相對論量子力學可統一了?
    本文轉自中國科學網-科技日報科技日報北京1月25日電 (記者徐玢)有沒有一種理論可以統一廣義相對論和量子力學該理論打破以彎曲時空幾何為基礎的廣義相對論的局限,將廣義相對論與量子力學統一起來。相關成果發表在近日出版的國際期刊《物理評論》上。此前量子場論的建立,使狹義相對論與量子力學成功統一。但廣義相對論與量子力學的統一至今仍是理論物理界的研究熱點。
  • 相對論和量子力學的主要矛盾是什麼?
    相對論在19世紀末,20世紀初,當時科學家普遍認為物理學基本上已經發展到了盡頭,由於牛頓力學和麥克斯韋方程實在是太準確了。當時沒辦法解決的就只有光速需不需要介質(當然,當時認為是需要一種叫做以太的介質,但實際上實驗發現並不存在)以及黑體輻射問題。而「以太」這一支,誕生了相對論。
  • 從牛頓到愛因斯坦:廣義相對論的起源
    導語:2015年11月是愛因斯坦提出廣義相對論的百年紀念。本文介紹了廣義相對論的起源,從牛頓物理學與電磁學的矛盾到洛倫茲變換,從只適用於慣性系的狹義相對論到可適用於非慣性系的廣義相對論。
  • 牛頓的萬有引力,愛因斯坦的相對論
    牛頓在科學人類貢獻史有三部分,第一,力學的萬有引力和牛頓三大力學定律,第二,光學的光譜光粒子研究,第三,數學的微積分,牛頓在力學方面發現的萬有引力定律是在大概1665-1666年,傳言是在一棵蘋果樹下發現的,牛頓力學三大定律是總結前人的經驗和觀點,尤其是伽利略提出的少部分科學理論,光學是牛頓拿一塊稜鏡在家裡做實驗
  • 為什麼廣義相對論和牛頓引力之間對彈跳球預測有差異?
    為什麼對彈跳球的預測會在廣義相對論和牛頓引力之間產生分歧? 從概念上講,這是一件簡單而有趣的問題,你可以在這裡看,如果在理論物理網站上的文章讓你感到震驚又失望的話。