什么是狭义相对论?怎样解释? - 《中国大百科全书》第三版网络版

什么是狭义相对论?怎样解释?

主讲人 马伯强

马伯强

北京大学博士。北大大学物理学院教授、博士生导师。2000年国家杰出青年基金获得者。2001年起为理论物理长江特聘教授。2004年获中国物理学会周培源物理奖。 从事粒子物理、中高能核物理、粒子天体物理学及宇宙学等理论研究。研究方向为光锥量子场论、轻子强子深度非弹散射、微扰量子色动力学的应用性、强子的自旋和味道结构、特殊的强子态、夸克和轻子的统一性问题、原子核内的夸克效应、高能宇宙线粒子。
最后更新 2021-06-10
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主讲人 马伯强
北京大学

    爱因斯坦的原理是这样,就是所有的物理规律在所有的惯性坐标系具有相同的形式,不存在特殊的坐标系。我一个观察者来看物理规律的时候,描述这个世界的时候,然后另外一个观察者相对于我是匀速运动,我们俩描述这个物质运动规律的方程应该是一模一样的。虽然具体的表现可以不同,但是物理规律是一样,物理规律不能变。另外一个叫光速不变,所谓光速不变,无论我人在任何一个坐标系上,我静止的时候,我测光速,它的光速是这样,我运动的时候我自己认为我是静止的,我测光速也是这样。所以第二个原理叫光速不变。

    那么用这种方式,就是两个坐标点之间,这个是它有一个坐标和一个时间,另外一个点也有一个坐标和时间,就两个参照系的。就两个不同的参照系,我静止的时候,运动的时候,看这个世界点的时候,它两个坐标系之间。那么按照爱因斯坦考虑,它应该符合一个光速不变原理,然后这两个不同的坐标系,这个方程都应该是满足的。那么你如果做变换之后,这个关系式都满足,那你就给他做任意的这种变换,一个变换和四个量都依赖的就是这种一对一的变换,变换之后求解,解出来的结果发现两边这个规律都是一样的,这个时候就得出了变换关系,这就叫洛伦茨变换。所以这个地方爱因斯坦说他伟大,他真的很伟大,因为他对时空观念做了革命性的想法,但是他的思路其实非常的简洁。我保证做了这种时空变换关系之后,我的物理学规律就非常的简洁,在两个方程当中物理学规律都是一样,描述这个物理规律的这个方程都是一样的简洁和漂亮,用非常简单的这样的一个变换关系。

    这样的一个变换关系做解释的时候,就会发现相对论的时空观有了革命性的变化,为什么?你看如果这是一个车,然后中间有那么一个人,他这个灯可以是关和开,如果是两个人,就是下边静止一个人,如果是他俩说在运动的车和静止,他俩见到的同时,这个时候让灯亮,这个灯就同时朝两边传递信号,对吧?然后车上的这个人,他认为他现在站在车的中间,然后光速对他来讲都是一样的,所以光到那边和光到这边到达的时间应该是一样的。所以光同时到达这个车的两边,静止的人来看,光这个时候是在这,是吧?然后同时这个车在运动,然后光运动的时候也需要时间,光走到这的时候,这个车已经朝前走,所以这个光还要再多朝前走一点。然后它朝这边走的时候,边缘已经过来了,所以光提前一点到,所以在地面上来看,光先到后边,后到前面,所以光的“同时”性发现不是件绝对的事情。很简单,就是我通过这个道理,爱因斯坦通过这种方式告诉你,我们平常所说的,“同时”这样的一个概念不是绝对的,依赖于观察者。

    那么还会出现一件什么事情?就是运动的钟。这个时钟静止的时候,走得快,它运动的时候运动的人带着钟,他认为这个钟还是一样,但是下边站着的这个人就会发现钟变慢。这种现象叫时钟变慢。这是另外一个。原来我刚才还说的尺子静止的时候,我们看是这样子,如果他去运动,那么静止的人来看,这个尺子会变短,这叫动尺变短。这是相对论的一个关于空间的结论,等等。这个物体的质量随着速度的增加而增大,等等。

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