5分鐘，帶給您一次全新的物理學(xué)學(xué)習(xí)體驗。 相對性原理
若以大地為參照，我是靜止的；若以地球球心為參照，我“日行八萬里”。但是，不管以誰為參照，我的感覺沒有區(qū)別，也就是說—— 物理定律的成立，應(yīng)當(dāng)與參照無關(guān)。不同的參照只有“相對區(qū)別”，而沒有“絕對區(qū)別”。 這就是【相對性原理】。  動靜等觀 —— 西山大覺寺 聽著簡單，但仔細(xì)一想，這個原理是整個物理學(xué)的基礎(chǔ)呀。 萬一，某個物理定律在A參照下成立，在B參照下又不成立了，那只能說明，這個定律描述的不是“物之本理”，而只是在A參照下的“幻象”罷了。 伽利略的絕對時空觀早在伽利略時代，就形成了一種“絕對時空觀”，就是時間長度與空間長度在不同參照下，都是絕對不變的。  伽利略 —— 近代物理之父，近代科學(xué)之父 比如，一只米尺，在任意參照下，都是一米長度。 例如，參照 B 相對于參照 A 以速度 v 運(yùn)動，那么，只需要把 A 參照中的物理定律中的 x 變換為 ( x + vt )，（其實就是簡單的“速度疊加”），就仍然符合物理定律，而不依賴于參照間的相對速度，稱為【伽利略相對論】。 這種時空觀本身沒有問題，也完全匹配牛頓力學(xué)的所有定律。 但是，一個詭異的東西出現(xiàn)了—— 光速麥克斯韋的電磁學(xué)方程，推導(dǎo)的結(jié)論是【光速在任意參照下都是一個常數(shù)】。 實驗也能證明，比如，地球是運(yùn)動的，而太空中的天體也各有各的運(yùn)動，但是，不管從哪來的光，我們在地球上一測，都是相同的 光速 c。  所有星光到地球上速度都一樣 這就完全不符合“速度疊加”了，因此無論參照之間的相對運(yùn)動如何，我看到的光速都是常數(shù) c。 如何解釋？ 愛因斯坦說，一定是我們的時空觀錯了，時空結(jié)構(gòu)應(yīng)該是可變的。 基于這樣的假設(shè)，愛因斯坦總結(jié)出了【狹義相對論】，對應(yīng)地，不同參照之間不再使用伽利略變換，而是使用【洛倫茲變換】，從而仍舊可以保證【相對性原理】。 狹義相對論所以，狹義相對論是這樣一套理論：為了保證相對性原理的完美實現(xiàn)，而調(diào)整了我們對于時空結(jié)構(gòu)的認(rèn)知。  不同的參照下，時間與空間，會被拉伸或壓縮；而光速，不會改變。 物質(zhì)的運(yùn)動，讓我們知道了時間；物質(zhì)的占據(jù)，讓我們知道有空間。 如何理解時間、空間與物質(zhì)之間的關(guān)系，就是物理學(xué)的根本問題。 狹義相對論用起來愛因斯坦使用狹義相對論做了許多事，比如解釋了光行差，比如得到了多普勒效應(yīng)，還有核彈的方程——質(zhì)能方程。 愛因斯坦假設(shè)了這樣的場景，一個原子向兩個方向發(fā)出兩個光子，如果以原子自身為參照 A，我們可以列出能量守恒與動量守恒兩個式子，另外，如果以其中一個以光速 c 運(yùn)動的光子為參照，仍然可以列出能量守恒與動量守恒兩個式子。這四個式子一推導(dǎo)，就得到了咱們耳熟能詳?shù)摹?/span>  狹義相對論的推論 —— 質(zhì)能方程 本來，狹義相對論已經(jīng)是比較完善地重構(gòu)了我們的時空觀。然而，還有一個東西非常特殊，讓人費(fèi)解—— 引力引力有什么特殊的？牛頓的萬有引力不是解釋得很好嗎？ 咱們先仔細(xì)觀察一下電場中電荷受到的力——
所帶電荷 q 越多，加速度 a 就越大。 再來看一下萬有引力——
我們發(fā)現(xiàn)，左右兩側(cè)各有一個 m，也就是說，無論這個物體質(zhì)量（荷載）多大，加速度都一樣！ 愛因斯坦意識到，引力其實不是一種力！它是由于時空扭曲產(chǎn)生的一種看似是力的幻象！  由此便產(chǎn)生了—— 廣義相對論從此，相對論的時空觀，不僅適用于電磁學(xué)，還適用于引力。 廣義相對論，把加速度與曲率緊緊聯(lián)系在一起，夸張點說，廣義相對論是個一個幾何學(xué)理論。 廣義相對論很好地解釋了水星近日點反常進(jìn)動、光線引力偏折、引力紅移等現(xiàn)象。
結(jié)語要知道，相對論的發(fā)展是一個長達(dá)300余年的思想過程，在愛因斯坦1915年建立廣義相對論時達(dá)到了頂峰，而絕不是愛因斯坦一個人的靈感一現(xiàn)。 事實上，科學(xué)史上從來沒有一個人突然提出革命性的發(fā)現(xiàn)。
另一方面，相對論是純粹理性思維的勝利，是物理的現(xiàn)實和諧與數(shù)學(xué)的形式美學(xué)之間的相互激勵。 相對論的建立過程中，包含著大量的數(shù)學(xué)過程，如果感興趣，推薦參考曹則賢老師推薦的書單——  也許，當(dāng)我們窺見了相對論所描述的宏大而詭譎的宇宙觀，嘗試了與最偉大的頭腦之間的竊竊私語，作為人類微不足道的渺小份子，也能會心一笑，感受到一種“回家的感覺”。
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