什么是狭义相对论?它解释了什么现象?

要了解是什么狭义相对论,实际上,要从“运动”说起。

狭义相对论的背景

这件事其实是这样的,伽利略的时代,他其实一直在思考一个问题。这其实和日心说与地心说的巅峰对决有关。

这场对决到了这时,日心说想要取胜主要的焦点就在于解决两个问题:

地球自转时,人跳起来,为什么不会向后(当时的人还不知道惯性)天体运动的轨迹到底是什么样的?后者被开普勒解决掉了,前者则是伽利略。伽利略就提出一个说法:

如果你坐在一艘船里,船特别平稳,这时候,你不会感觉到船是在动还是没动。

这里,我们举一个例子帮大家来理解一下,我们都坐过火车,当两列火车都停在车站,而你在其中一列火车当中,其中有一列火车启动了,这时你很难能够察觉到哪一列火车在动。或者说,你可以取任何一列火车为参考系,则另外一列在动。这后来,也被我们称为伽利略变换,或者相对性原理。

后来,牛顿就借用了伽利略变换(不过这里要补充一下,牛顿其实观点还是和伽利略有所不同的),建立牛顿理论体系。在这个体系内,我们应该知道的是研究运动是需要选取一个参考系的,所以运动其实是相对的。

麦克斯韦

牛顿理论其实可以说在当时的人看来是十分震撼的,这个理论不仅可以准确地描述物理现象,还可以做出预测,尤其是科学家用牛顿理论预测”海王星”,也就是说,科学家仅仅靠纸和笔就预测了一个天体的存在。

而牛顿之后,其实也有一个极其伟大的理论:麦克斯韦方程。这个理论同样令人震撼,并且精确无比。但是令人尴尬的是,在这个理论的推导过程,我们可以得到一个关于光速的表达是:

光速c=1/ε0μ0

其中,ε0和μ0这两个都是固定值,意思就是说,光速实际上是个常数。这和牛顿认为的任何运动都要先找一个参考系就矛盾了,因为按照麦克斯韦方程单位说法,光在任何参考系下都是相同而速度,我们姑且就可以管这个叫做光速不变原理。科学家为了解决这个问题,尝试了各种各样的办法,最终全都失败了!

狭义相对论

所以,我们也看到了爱因斯坦面对的局面。实际上,他遇到的是三选二,分别是相对性原理,光速不变原理以及绝对的时空观。所谓的绝对时空观是指牛顿的时空观,他认为时间和空间是应该分开看的,它们之间没有关系,其次,时间和空间其实是平直的,不会因为运动状态的改变而改变。

因此,爱因斯坦要在三者中摒弃掉其中一种,而他毫不犹豫地摒弃了牛顿的绝对时空观。于是,他得到的结果一定会是运动会改变时空。具体咋改变呢?

他通过两个基础假设,光速不变原理以及相对性原理,进行推导,就获得了时间膨胀和尺缩效应。

大意就是一个物体相对于一个惯性参考系高速运动,那它的时间会发生膨胀,大概可以理解成它的一秒相当于惯性参考系的两秒,但是它们各自感受到的时间流逝速度是正常的。

而尺缩效应则是说,相对于惯性参考系运动的物体,在惯性参考系下看这个物体,它的尺度会变短。

爱因斯坦通过两个基本假设,就把时间和空间给统一了起来。紧接着,他利用同样的办法提出了把质量和能量给统一了起来。也就是说,著名的质能方程。

说的就是质量和能量是等价的,是同一种东西的两个面,这取决于你如何测量它。我们都知道正反物质湮灭。

一般的说法是,质量转化成了能量,实际上,这是对质能方程的误解。质能方程是说在一个封闭的系统内,质量和能量是等价的,而上图中其实是一个开放的系统。如果我们把这两个正反粒子关在一个封闭的系统中,和外界是隔绝的。那反应前后,这个系统的质量是不变的。这才是爱因斯坦质能等价想要表达的:质量和能量是一回事,质量里有能量,能量里有质量。

除了爱因斯坦之外,实际上他的老师闵可夫斯基,还提出了时空光锥的概念。其实,这个东西想表达的就是,光速实际上是时空的一种属性,是两个事件的时空间隔。

最直白的例子就是照镜子,你看的镜子里的永远是过去的自己,这是因为光传播到你的眼睛里需要时间,所以你的过去影响的是当下,你的当下影响的是未来。

以上,狭义相对论的大致内容的通俗解读版,想要真正了解狭义相对论,还是最好自己推导一下,其实狭义相对论的数学并不难,大部分只需要初高中的数学就够了,只有质能等价的部分需要一点微积分的知识,但其实也不难的。