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

2020-12-20 科學信仰孫晨

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

  • 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。在愛因斯坦之前,最成功的兩個理論分別是牛頓提出的牛頓力學和麥克斯韋提出麥克斯韋方程。
  • 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。
  • 量子論幣: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。
  • 是否存在與牛頓三大定律一致的相對論?
    狹義相對論在狹義相對論中,我們需要定義慣性坐標系的概念。在慣性坐標系中,光是勻速和各向同性傳播的。這是對光特性的另一種表述,即光總是沿直線傳播,傳播速度不受其傳播位置和方向改變,也不隨其頻率改變。而在狹義相對論中的力——四維力(是古典力學中的力物理量在相對論中對應的四維版本)是滿足洛倫茲協變性的,當四維力的各向改變速率在固定時間τ內不同時,四維力與古典力不相同。(即古典力為相對論中四維力各向變化速率相同的特例);b)空間分離的粒子相互施加力是「在一定距離上的相互作用」,這在相對論中是不允許的(在相對論中牛頓第三定律可能不成立)。
  • 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?
  • 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。
  • 廣義相對論與量子力學的未來在哪?
    提問:廣義相對論與量子力學是否需要統一呢?回答:廣義相對論與量子力學兩者皆是描述自然的。在其他的場景下,一種被稱之為半經典引力的理論會有較好的運用:這種理論使用一種稱作量子場期望值的數值作為經典引力的來源,它能繼而推算出這些量子場的彎曲背景。所以或許從實用的角度而言,這都是我們所需要的,因為絕不會有任何一個實驗能使我們超越半經典引力。但是即便如此,這種理論是一種不完美的存在,介於經典引力與量子場兩種理論之間,這是令人不滿意的(也許從哲學上講)。
  • 假如牛頓穿越到現在,他能看懂相對論和量子力學嗎?
    引言:著名物理學家牛頓,他曾經提出了很多先進的物理學理論。現在有些人覺得學習這些理論很簡單,便開始質疑牛頓的偉大,殊不知牛頓的偉大不在於理論的高深,而在於他的開創性。想像一下,牛頓穿越到了現在,他能看得懂相對論和量子力學嗎?
  • 《狹義與廣義相對論淺說》
    《狹義與廣義相對論淺說》是愛因斯坦親自為中等知識水平的讀者撰寫的相對論普及性著作。作者以最簡單、最明了的方式介紹了相對論的主要概念,並大體按照相對論實際創生的次序和聯繫來敘述,具有較高的可讀性。
  • 相對論誕生前夜:牛頓 VS 麥克斯韋
    為了解決這些矛盾,愛因斯坦進行了艱苦卓絕的探索,並最終創立了狹義相對論。這種處境,很像現在的廣義相對論和量子力學。類似的,廣義相對論和量子力學之間的矛盾又是什麼?它們之間被忽略的關鍵東西又是啥?愛因斯坦統一牛頓力學和麥克斯韋電磁學的工作對我們統一廣義相對論和量子力學又有什麼啟發?學習歷史是為了更好地把握未來,科學也一樣。
  • 科技手抄報資料:愛因斯坦相對論
    >>點擊進入科技手抄報專題  相對論(Relativity)的基本假設是相對性原理,即物理定律與參照系的選擇無關。狹義相對論(Special Relativity)和廣義相對論(General Relativity)的區別是,前者討論的是勻速直線運動的參照系(慣性參照系)之間的物理定律,後者則推廣到具有加速度的參照系中(非慣性系),並在等效原理的假設下,廣泛應用於引力場中。相對論和量子力學是現代物理學的兩大基本支柱。經典物理學基礎的經典力學,不適用於高速運動的物體和微觀領域。
  • 愛因斯坦提出廣義相對論後,牛頓的定律是錯的嗎?
    它引導著每一個被拋出的籃球的軌跡和每一個宇宙飛船的軌跡。可以說,是萬有引力使宇宙中的萬物聚在一起。萬有引力是物理學中我們已知的四個力之一。其他的幾個力是:控制著電力、磁力和光的電磁力,以及在原子核內的微小距離上有效的一對核力。似乎可能違背直覺的是,萬有引力是這些力中最弱的一個。
  • 廣義相對論:丈量宇宙一百年
    創立廣義相對論的整個過程讓愛因斯坦疲憊不堪,歐洲戰火肆虐,個人婚姻破裂,對於廣義相對論這一「人類思考自然的最偉大壯舉,哲學思辨、物理直覺和數學技巧最令人驚豔的結合」,他感到心滿意足又心力交瘁。「世界上只有兩樣東西可能是無止境的:宇宙,以及人類的愚蠢」,愛因斯坦說,「對於前者,我還不那麼確定。」而對於我們,不太確定的是,世界上是否還有另一個愛因斯坦?
  • 愛因斯坦廣義相對論手稿原件
    該特展由耶路撒冷希伯來大學授權,解放報業(上海)文化傳播有限公司和上海UDN主辦。著名物理學家、諾貝爾獎得主楊振寧也來到8月1日的展覽開幕現場。楊振寧和愛因斯坦本人有過接觸,他說:「愛因斯坦是我非常佩服、仰慕的物理學家。二十世紀開頭三十年有三大觀念革命,分別是狹義相對論、廣義相對論和量子力學。其中有兩個半是愛因斯坦的貢獻。他對於物理學影響深遠,對我們的日常生活也有極大影響。」
  • 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。
  • 牛頓萬有引力定律能解釋廣義相對論三大預測嗎?
    1687年,牛頓發表了《自然哲學的數學原理》,其中萬有引力定律成功解釋了天體的運動。並且,萬有引力還幫助科學家發現了海王星的存在。但是,對於大質量和高速運動的物體,牛頓萬有引力定律不再適用,而愛因斯坦的廣義相對論卻彌補了這一缺憾。其中,最著名的當屬黑洞的存在和水星的近日點進動。
  • 通俗的解釋什麼叫「狹義相對論」
    親愛的看官,如果你從不知道狹義相對論,那麼請給你的大腦系好安全帶,因為哥要帶你的大腦飛一把了。如果你知道狹義相對論,如果有什麼觀點,歡迎討論。這就是狹義相對論中的時間膨脹效應。註:狹義相對論中,相對於慣性系統移動的時鐘會走得較慢。先別急著反駁,這麼奇怪的理論,擱誰都不願意相信,小編我以前也不信。但為啥現在人們會認同這種詭異的理論呢?
  • 提出廣義相對論30多年後,愛因斯坦仍在擔憂這件事
    確實,我們已經熟知許多概念和定理,這些定理足夠使我們理解大多數事情,並將它們轉化成可以用數學方法處理的問題。但在某種意義上,這些概念和定理甚至已經發展到頭了,比如光的反射定律、經典熱力學定理(建立在壓強、體積、溫度、熱、功的概念以及永動機不存在的假設的基礎之上)。古典原子論和牛頓力學是什麼促使我們在現有理論的基礎上再去發展新的理論呢?為什麼我們一開始就要去創造理論呢?
  • 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。由於當時人們認為光是在一種稱為以太的介質裡傳播的,而地球在以太裡做各種運動,包括地球自轉運動、地球公轉運動、隨太陽系公轉運動等,這樣必然導致地球相對於以太在各個方向上的速度分量不一致,這樣,根據經典力學裡的速度疊加原理,不同方向上的光速應該是有差異的。然而邁克耳遜莫雷實驗證明,兩束互相垂直的光的速度完全一致,這用傳統的理論就無法解釋了。
  • 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)