相對論為什麼有「狹義」和「廣義」之分?

2020-12-03 中國數字科技館

1955年4月18日,20世紀最偉大的科學家阿爾伯特·愛因斯坦因患動脈瘤在美國普林斯頓逝世。說起愛因斯坦,都知道他提出了著名的相對論。但是你可知道,相對論為什麼有「狹義」和「廣義」之分呢?

了解「相對論」對於研究現代物理學的人來說,是十分必要的。

據說,相對論的創始人阿耳伯特?愛因斯坦從小就思考這樣兩個問題:(1)如果有人跟著光線跑,並努力趕上它,那麼,這個人將看到些什麼現象呢?(2)如果把一個人關在一架自由下落的升降機內,他將看到什麼呢?經過二十多年的思考和鑽研,愛因斯坦終於找到了第一個問題的答案,創立了狹義相對論,並將他的這一成果於1905年公諸於世。但愛因斯坦並不滿足於已取得的成就,他又圍繞著第二個問題進行了深入的探索,經過十一年堅持不懈的努力,於1916年,進一步建立了廣義相對論。

相對論為什麼有「狹義」和「廣義」之分呢?這和物理學中「相對性原理」的推廣範圍有關。我們知道,為了觀察和描述物體的運動,需要有一個參照的標準。例如,從飛機內部看機上的乘客,他是坐在那兒不動的;從地面上觀察,乘客卻隨飛機一起飛行。究竟這乘客是靜止還是在運動,就看觀察者所參照的標準了。物理學上,把這種參照標準稱作參照系。任何事物都可以當作參照系,海中的島嶼、天上的星星、行駛的火車、靜止的路標……參照系選得好,觀察和研究起來就方便。

根據參照系相對於觀察者的運動情況,參照系又可以分為慣性系和非慣性系兩大類。相對於觀察者是靜止的或在作勻速直線運動的參照系統稱為慣性系。靜止或作勻速直線運動在物理學上稱作加速度為零的運動。因此,慣性系又可以看作是參照系相對於觀察者不作加速運動的情況;而非慣性系則可看成是參照系相對於觀察者在作加速運動的情況,並可稱之為加速系。我們在觀察地面上的運動物體時,可以把地球近似地當作慣性系。在研究地球或其他行星的運動時,就要以太陽或其他恆星作慣性系。

相對論的核心思想之一是「相對性原理」。上面已經講到,在不同的參照系裡描述同一事物的運動形式,其情況也不同。但是,在不同的參照系裡運動的物體是否遵循同樣的規律呢?例如,在一艘作勻速直線航行的海輪上,和一個在地面上的靜止實驗室裡分頭作力學實驗:兩隻擺長相同的擺鐘,它們的擺動周期是否一樣呢?在兩根一樣的彈簧下各掛1千克的砝碼,它們的伸長是否一樣呢?在相同的高度上,讓兩塊一樣質量的鐵塊自由下落,它們是否同時落到地上呢?……早在力學發展的初期,物理學家們就總結出,在所有的慣性系中,力學運動的規律都相同,這就是經典力學的相對性原理。

19世紀中期,電磁學有了很大的發展,經典的電磁理論建立起來並趨於完備。這不僅使人類從蒸汽時代進入電氣時代,而且也為相對論的誕生準備了搖籃。愛因斯坦在他創立的狹義相對論中,把經典力學中的相對性原理推廣到包括電磁學在內的整個物理學領域,建立了新的相對性原理,即:物理規律(不僅是力學規律,也包括電磁運動的規律)在所有的慣性系中都是一樣的。而在廣義相對論中,愛因斯坦又把這個原理作了進一步的推廣,即:物理規律不僅在所有的慣性系中都一樣,而且在所有的加速系中也相同。換句話說,物理規律在所有的參考系中都一樣。

由於相對性原理先是在慣性系中,從力學規律推廣到所有的物理規律,後來又在廣泛的意義上推廣到所有的參照系,這就使相對論有了「狹義」和「廣義」之分。(應興囯)

相關焦點

  • 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。你會發現,為什麼要麼和時間,要麼和長度(空間)有關,這其實就和狹義相對論要統一的對象有關,狹義相對論統一了時間和空間。愛因斯坦認為時間和空間並不是分離的兩個物理量,它們會受到運動的影響。所以,我們要把它們結合起來研究,並稱為時空。由於我們生活在三維的空間內,所以也可以叫做三維時空。而光速則是三維時空的一個特殊屬性,描述了兩個事件之間的時空間隔。
  • 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。
  • 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!因為我只要說是這種藍色的東西使得鍋裡冒出蒸氣,或者至少可以說有這種可能,但是如果我注意到這兩個鍋底下都沒有什麼藍色的東西,而且如果我還觀察到其中一個鍋不斷冒出蒸氣,而另外一個鍋則沒有蒸氣,那麼我就總是感到驚奇和不滿足,直到我發現某種情況能夠用來說明為什麼這兩個鍋有不同的表現為止。
  • 愛因斯坦是如何發現狹義和廣義相對論的?
    有些讀者對這個問題感興趣,他們想知道愛因斯坦是怎麼發現相對論的,是用實驗的方法慢慢驗證推理出來的,還是直接用數學方法和物理思想推出來的。愛因斯坦是怎麼想到要去創立相對論的呢,有哪些時代背景和機緣巧合,為什麼同時代那麼多權威的物理學家都沒有辦到,他一個畢業工作沒幾年的小毛頭是怎麼辦到的?
  • 廣義相對論和狹義相對論
    相對於牛頓力學,愛因斯坦相對論顛覆性的改變在於否定了絕對時間和絕對參照物的存在,從而改變了我們對空間和時間認知的概念,即時間和空間是物質相互作用的結果,而不是物質相互作用的背景。 先來說狹義相對論。簡單來說,狹義相對論是一種新的時空觀,在這種時空觀中,物體的運動速度會影響其質量,空間,以及時間。這個看似古怪的理論其實已經經過無數實驗的證明。
  • 相對論中:時間在狹義和廣義的概念下有什麼不同?
    其實難懂是因為大家只針對相對論的結論去思考。如果大家能看看狹義相對論的原理還有一些推導過程,會發現並沒有那麼難以理解,一切都結論都是那麼水到渠成。狹義相對論兩大原理光速不變原理(實際叫作光速不疊加更好)狹義相對性原理(後來的廣義相對論,直接推廣為相對性原理)
  • 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
    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。
  • 「廣義相對論」和「狹義相對論」都說時間會變慢,有啥區別?
    廣義相對論和狹義相對論我在前面的文章中都講了不少,其中有個效應:時間變慢,不少朋友仍然有很多疑惑,所以今天這期節目就針對「時間變慢」效應給大家再度剖析。這裡的「時間」就好像剛剛討論的「速度」,因為時間和速度一樣,都需要選參考系才有意義。以上就是狹義相對論的「時間變慢效應」的內容。但是大家似乎隱隱感覺A說B時間慢了,B又說A時間慢了,這似乎就是矛盾的?其實內心之所以有這種想法就是因為,內心總是想把A和B的時間進行比較看誰才是真理,其實都是真理,只是參考系不同。
  • 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。
  • 什麼是狹義和廣義相對論,在現實生活中的意義,與萬有引力的博弈
    什麼是廣義相對論呢,廣義相對論:主要是指空間扭曲,當一個很大的質量的物體可使空間凹陷。太陽周圍的空間在太陽還沒有來之前是一個很平的平面,因為太陽的質量較大使得原本很平的空間,出現了凹陷,而八大行星就是因為凹陷「滾落」下來的。
  • 《凡人修仙之仙界篇》:大道歸一或有狹義和廣義之分,三屍有大用
    《凡人修仙之仙界篇》目前的卷名「大道歸一」給人以大量的想像。從606章韓立的感悟來看,大道歸一似乎是「將這些關於一種法則的其他感悟和應用融會貫通」,比如韓立,即是將功法《大五行幻世訣》中修煉出的五行屬性融會貫通。
  • 如何自學廣義相對論,這裡有一份秘籍
    著名的物理學家約翰·惠勒是這樣總結廣義相對論的:「物質告訴時空如何彎曲,時空告訴物質如何運動。」前半句概括了愛因斯坦場方程,而後半句則概括了運動方程。它還有個獨特之處,利用場方程能推導出運動方程,這在其它場都是沒有的。這句話也是普通大眾對廣義相對論的理解:物質會導致時空彎曲。事實上,我們的學習欲望不止於此,我們還想學會如何進行廣義相對論計算。
  • 等效原理是廣義相對論的基礎,與狹義相對論衝突嗎
    那麼有一束光從側面射進來,看上去是彎曲的。等效原理加速電梯如果是從側面水平投射小球,平拋運動,小球的運行軌跡就是這樣偏折的,廣義相對論把它推廣到光線,這裡也隱含著一個假設,愛因斯坦沒說(他總是丟三落四),就是光傳播的場物質和產生慣性的場物質是同一種,因為宇宙間很多種場是可以相互重疊的。
  • 愛因斯坦與廣義相對論
    今年是廣義相對論創建100 周年,也是狹義相對論創建110 周年。廣義相對論是「關於時間、空間和引力的理論」。這一理論可以看作是狹義相對論的推廣,也可以看作是萬有引力定律的發展。它認為萬有引力不是一般意義上的力,而是一種幾何效應,是時空彎曲的表。
  • 相對論是否面臨被推翻?——附推翻狹義相對論簡易教程
    相對論是否面臨被推翻?你如果說即將推翻廣義相對論我還可能舉半隻手,但推翻狹義相對論?你生活是不是有什麼不如意…為什麼會有這樣的想法……廣義相對論的困境我說推翻廣義相對論可能會舉半隻手是因為目前廣義相對論似乎確實存在問題,不說在微觀下與量子力學不和諧,就說在宇觀尺度上觀測結果也與廣義相對論不太協調,星系外圍恆星公轉速度異常和幾十億年前宇宙膨脹異常加速都是作為宇宙學基礎理論的廣義相對論無法解釋的。
  • 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。
  • 根據廣義相對論,物體為什麼會落地?
    在這裡起決定性作用的是,只有一個,也就是在廣義相對論中,兩事件之間最直接的連接是粒子穿梭所花費時間最長的連接。為什麼時間要儘可能長呢?原因有二:根據狹義相對論,球運動得越快其時間流逝得越慢。在正常速度下這個影響很小,不過也會導致一個以5米每秒的恆定速度運動的球,時間流逝會慢約0.14飛秒,飛秒是千萬億分之一秒——影響極小!
  • 愛因斯坦廣義相對論,為什麼能夠把「引力」幾何化?
    前面幾篇文章中,我們都是圍繞「引力」來談廣義相對論的,大家可能會覺得好奇,為啥廣義相對論非要重點去討論引力,引力有啥玄妙值得我寫好幾篇文章來講。哈哈,其實引力對廣義相對論的作用,可遠遠不止這些,理解「引力變得不是力」,這是你從狹義相對論走向廣義相對論的必經橋梁,這也是一種全新的解決運動力學的思路和方法。
  • 根據狹義和廣義相對論,天宮二號上的時間比地球上快還是慢?
    根據相對論的時間膨脹效應,由於天宮二號在太空中飛行,那上面的時間流逝速率與地球上相比會有所不同。不過,只有在接近光速和強引力場的情況下,時間膨脹效應才會變得很顯著。天宮二號和地球的時間流逝速率差異其實很小,小到只有用原子鐘才能測出來。