“相对论”是著名物理学家爱因斯坦一手建立的,二十世纪最伟大的物理学理论。据说当时全世界只有两个半人可以看懂。即使现代,多数物理学者只掌握了它的运用方法,对其本质的含义一知半解。
相对论的建立
1905年以前已经发现一些电磁现象与经典物理概念相“抵触”:
①迈克耳孙-莫雷实验没有观测到地球相对于以太的运动,同经典物理学理论的“绝对时空”和“以太”概念产生矛盾。
②运动物体的电磁感应现象表现出相对性——是磁体运动还是导体运动其效果一样。
③电子的电荷与惯性质量之比(荷质比)随电子运动速度的增加而减小。此外,电磁规律(麦克斯韦方程组)在伽利略变换下不是不变的,即是说电磁定律不满足牛顿力学中的伽利略相对性原理。
通过深入思考,爱因斯坦发现问题的关键是同时性的定义,他指出同时性概念没有绝对的意义。
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狭义相对论提出的两个基本假设:
1)狭义相对性原理。一切物理定律(除引力外的力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律)在所有惯性系中均有效;或者说,一切物理定律(除引力外)的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变。不同时间进行的实验给出了同样的物理定律,这正是相对性原理的实验基础。
2)光速不变原理。光在真空中总是以确定的速度c传播,速度的大小同光源的运动状态无关。在真空中的各个方向上,光信号传播速度(即单向光速)的大小均相同(即光速各向同性);光速同光源的运动状态和观察者所处的惯性系无关。这个原理同经典力学不相容。有了这个原理,才能够准确地定义不同地点的同时性。
同时性的相对性
如果在某个惯性系中看来,不同空间点发生的两个物理事件是同时的,那么在相对于这一惯性系运动的其他惯性系中看来就不再是同时的(时间是一个坐标数据,某个坐标系中“时间维坐标”相同的两个不同位置的点,在另一个坐标系“时间维坐标”不同是很正常的)。所以,在狭义相对论中,同时性的概念不再有绝对意义(坐标数据是没有绝对的,相同的一个点在不同的坐标系中4个坐标数据完全可不相同),它同惯性系有关,只有相对意义。但是,对于同一空间点上发生的两个事件,同时性仍有绝对意义(3维空间坐标相同的两个不同时空点,仍然是两个不同的时点;但是狭义相对论规定这两个不同时空点的时间维距离是等效的,规定是有绝对意义的)。
狭义相对论得出的结论:以不同速度运动的物体各自拥有自己的时间。
狭义相对论推导出的神奇现象:
1)钟慢效应(时间膨胀)。狭义相对论预言(数学假设、数学逻辑推理),运动时钟的“指针”行走的速率比时钟静止时的速率慢,这就是时钟变慢或时间膨胀效应。
2)缩尺效应(长度收缩)。洛伦兹变换率假设,考虑放在K’系x’轴上的一根长杆,其长度称为固有长度l0≡x′。但在K系看来,这根杆子是运动的,运动杆子的长度定义为同时(即时间间隔t=0)测量杆子的两端所获得的空间坐标间隔。此时,洛伦兹变换给出:l≡x,运动杆子的长度变短了(l<l0) 。
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相对论本质的科学解释
1、时间的本质。
一直以来,物理学家没有对时间概念做出最合理的解释。从而导致物理学中出现许多悖论。如,时间旅行。
时间是物理学对事物变化过程的描述,本质是对事物变化现象的刻画。实际上时间并不存在,宇宙中只存在变化着的事物。
物理公式中S(距离)=v(速度)*t(时间),说明时间t是一个可变量,其大小是由速度v与距离s共同决定的。时间的相对性也是由此产生的。
现实中(宏观宇宙),我们通常认为距离是固定不变的,时间只随速度大小改变;然而,广义相对论指出我们的宇宙时空(微观时空)时刻处于弯曲变化之中,空间任何两点之间的距离都是不确定的。所以,时间也是相对的,它由变化的空间与速度关系共同决定。
时间的本质:反映事物变化快慢的物理量。
2、距离的本质。
在宇宙空间中,距离是两点之间的位置。影响距离的因素是空间的几何结构,比如,相同的两点在平直空间和弯曲空间中的距离长度是不同的。距离本质是空间几何的一种表现形式。
在平直空间(欧几里得几何)里,两点之间的距离是固定不变的;在弯曲空间(黎曼几何)里,两点之间的距离随空间的变化时刻改变,由空间几何关系确定。
距离的本质:反映空间中两点之间几何关系的物理量。
3、速度的本质。
速度是能量的一种表现形式,速度大小对应能量大小(动能、动量)。质能方程式给出了质量和能量的转化关系。广义相对论指出质量(能量)对时空产生弯曲作用。因此,在空间中运动的物体都会对空间几何产生影响,其作用效果的大小由速度和质量共同决定。
宏观物体的速度只能借助能量提高,加速宏观物体需要消耗能量,所以,宏观物体的运动速度低于光速。宏观物体处于低速运动状态,其对空间几何的影响更多由质量一方面体现(宏观物体对空间弯曲作用是通过质量实现的,质量对空间弯曲本质是引力效果。)。所以,宏观物体运动忽略了低速运动对空间几何的影响(速度—光速运动,对空间弯曲是借助能量实现的,能量对空间弯曲本质是时空几何特性)。低速运动忽略了相对论效应。
微观粒子的速度是场能激发的形式,能量激发带动空间几何的变化(时空是纠缠在一起的整体),能量在弯曲空间中的传递过程表现为速度。宏观宇宙空间表现为平直、稳定状态(假设空间是由众多“微粒”构成,宏观空间的平直现象是微粒均匀分布的结果),而微观几何空间时刻处于能量涨落和弯曲变化状态(当发生能量涨落时,能量会导致“微粒”之间发生凝聚,使得空间弯曲,两点之间的距离拉近)。比如光子。当空间某一处激发出光子,该处的能量场就会产生能量“波动”,“波动”会造成周围能量势的变化,引起周围微观几何空间的改变,能量以“波动”的形式被传递(激发出光子)。光子的传播速度实际上是微观空间几何的弯曲变化现象(能量在弯曲空间的传播过程,能量导致空间几何发生改变)。因此,光子并非沿着直线传播,在微观几何角度光子是在弯曲空间上行走的。光子沿着弯曲空间行走,空间弯曲与速度(能量)有关,同时对距离产生影响,距离又影响时间的计算。所以,高速微观粒子会出现相对论效应(空间弯曲使得两点距离减少,仿佛时间变短)。
弯曲空间的两种方式:质量(宏观大质量物体或高速运动的物体)——引力弯曲空间;能量(微观高速粒子或能量场)——时空特性弯曲空间。
速度本质:反映运动量大小的物理量。
相对论最科学的诠释:物体的速度对应它的质量和能量,速度会对时空几何产生不同的影响(宏观物体的速度以“运动质量”的引力作用对空间产生弯曲作用;微观粒子的速度以“能量势”的时空几何特性对空间产生弯曲效果),速度间接导致两点之间的距离发生改变,从而引起时间的差异。所以,以不同速度运动的物体会有不同的时间。
结论:
1、“速度”引起“空间几何”(距离)变化是相对论效应的根本解释。
1)宏观低速运动物体(速度对空间的影响只能通过引力实现),因“速度”产生的“运动质量”太小,对“空间几何”几乎没有弯曲效果。所以,宏观低速运动的相对论效应可以忽略不计。
预言1:大质量物体(如黑洞、星系)低速运动,同样会出现相对论效应(质量越大、时间越慢,即黑洞质量越大,运动时间变慢)。因为大质量物体会导致空间弯曲,这样的运动同样会出现时间与速度的相对性。
预言2:把小质量物体加速到接近光速时,能够检测到“速度”对空间的弯曲效应(速度提高增加了物体的质量)。
2)微观高速运动粒子(速度对空间的影响是通过“能量势”对时空几何作用实现的),微观高速运动粒子的速度是能量传递的形式(速度本质由能量产生),本质是空间几何的一种表现(速度的传播是由空间几何决定)。微观能量涨落必然引起空间几何结构的变化,所以,微观粒子是借助空间弯曲运动的。
猜想一:以“光速”运动的粒子,本质是弯曲空间的运动形式。即光沿着弯曲空间运动(在普朗克空间尺度)。微观高速粒子并非直线传播而是以微观“弯曲几何”的方式运动。光速运动的物体比低速运动的物体行驶了更短的距离。
猜想二:微观尺度时空是离散、弯曲的(微观空间时刻处于扭曲变化的状态)。
2、相对论中时间描述的是动态时空中,速度与距离的对应变化关系。
1)时间并不存在。相对论只刻画了“距离”与“速度”之间的对应变化关系或者事物前后变化过程的作用时间。现实中不存在脱离事物及变化过程的独立“时间”概念。
来源: 用户108155098481