狭义相对论.doc

牛顿力学是狭义相对论(Special Relativity)在低速情况下的近似。伽利略变换与电磁学理论的不自洽到19世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。在这样的背景下，才有了狭义相对论。我们知道相对论是爱因斯坦这一最出名的成就之一，同时我们即将学习时间延缓效应和长度收缩效应，所以在这里我们简单地做个了解。时间卷曲中说到假如有个人以光速到外太空旅游20年，等他回到地球以后发现他的朋友们老了，自己依旧年轻。根据相对论，运动中的物体有时间延缓效应，以地球为参考系，该旅行者是运动的，因此时间相对他减缓，但以旅行者的视觉看地球也是运动的，时间相对地球也该减缓。这样说来，要不旅行者和地球上的人一起老去，要不就是一样年轻，为什么会有一方老，一方年轻的结果呢？首先举个简单的例子：假设某宇航员以0.95C离开地球，又设该宇航员测得他自己吸一支烟（假设飞行器上可以吸烟）需要10分钟.那么根据相对论计算的结果是：地球上的人测得他吸一支烟的时间大约是32分钟.而地球也是相对宇航员以0.95C离开的，那么他吸一支烟用了10分钟，他利用相对论计算的结果是地球人在他吸烟这段时间内大约经过了3.1223分钟.这是一个很矛盾的结果，因为对地球人来说为了测量他抽这支烟事实上花了32分钟！（但这只是地球人这样觉得）.从上面的例子也可以看出:地球人也是比宇航员还年轻的，因为，他测出抽一支烟用10分钟，而地球人却只经过3.1223分钟.（当然这也是宇航员自己计算出来的）.从这里可以看出，实际上他们是彼此去到彼此的未来的！产生上面数据看起来矛盾的原因是：同时是具有相对性的.也就是说在某参考系中是同时发生的事情，但在另外的参考系下观察并不一定是同时的.在上面的例子中之所以出现时间上的矛盾是由于：地球人在测量宇航员抽烟用时这件事的过程中，地球人开始计时的时刻，“并不是”宇航员开始抽烟的时刻.(地球人认为是同时的，宇航员却认为不是同时的，这就是同时的相对性).产生这种相对性的原因我认为是信号也需要时间传播（牛顿却不这样认为）.宇航员开始点烟是一个信号，但是需要把这个信号传播到地球是需要时间的，也就是说，地球人开始计时是在宇航员点烟之后.从上面容易理解到，不同的参考系内，对该参考系的某时刻，是宇航员先到达，还是地球人先到达，或者他们同时到达是不一样的。对旅行者来说，地球人年轻了；但对地球人来说，旅行者年轻了（但不知道产生这两种情况时，人是不是显得老少不同）；对于两个系统的中心点（绝对中心）来说，两个是一样大的！一般来说，在一个相对我们做高速运动的参考系中发生的物理过程，在我们看来，他所经历的时间比在这个参考系中直接观察到的时间长。参考系的速度越大，我们观察到的过程所经历的时间也就越长。对于化学反应、生命过程等，这一结论也是正确的。这就是时间延缓效应。长度收缩效应，又称尺缩效应，是物理学理论。在某一个运动的参考系中，对一根沿运动方向放置且相对于此参考系静止的棒的长度要比在一个静止的参考系中测得的此棒的长度短一些。这种情况被叫做长度收缩效应，或尺缩效应。这个效应显示了空间的相对性。对于同一个物体，在相对于该物体运动的参考系中，沿运动方向测量它的长度，所得的结果要比在相对于该物体静止的参考系中测得的同方向长度短一些。这种情况被叫做长度收缩效应。空间的量度与观察这一量度的参照系有关。所以，在飞船上的尺和地球上的尺是不会一样的。通过火车相对于月台的长度问题的讨论，我们得知：沿运动方向固定在高速运动飞船上的尺，如果由地球上的人来观测，就比飞船上的人观测的长度短。至于长度收缩多少，是与飞船飞行的速度，也就是两个参照系之间的相对速度有关。相反，固定在地球上的尺的长度，若由飞船上观察者来观测的话，则沿运动方向的长度不是伸长，也是缩短。由此，我们得出结论：当一个物体对于某参照系是静止的时候，就这个参照系来看，物体长度最大。沿垂直于运动方向时，长度则不发生变化。这种长度收缩的现象是真实的吗？这是不容怀疑的。不但运动的物体沿运动的方向产生收缩，而且收缩遵循着一定规律。这些都已从实际现象中得到证实。我们平时看不到这种收缩现象，是由于在低速缓慢的运动中，这种现象是不显著的。例如，即使物体运动速度达到每秒3万公里，长度的收缩也不过是千分之五。但是当物体运动速度接近光速时，情况就不同了，这时候长度的收缩非常显著。静止的时候，一米长的尺，沿相对运动方向的长度就会收缩成几厘米。如果物体速度变得就等于光速，那么长度就会缩减成零。然而，这是不可能的