狭义相对论是爱因斯坦在总结了前人的科学实验和理论研究成果后,针对物理学界因为测不出光速的变化而陷入混乱之际,抛弃了绝对时空的概念,以实验基础为依据,提出光速不变原理,并在这一基础上,引用了洛伦兹因子,把经典物理学的适用领域从静止、小空间拓展到高速度、大空间的应用领域而建立的惯性系间时间与空间变换的理论。
经典物理学之所以遇到了困难,都是因为“光速不变”带来的。光速不是无穷大,而使得我们测量会产生误差,当人们试图找到绝对速度的时候发现,无法测出光速的变化,因而使物理学陷入了绝境。光既不受发光物的速度影响,也不受接收器速度的影响。无论谁看,速度都一样,这与经典物理学中的速度的叠加原理产生了不可调和的矛盾。
很多人质疑光速不变原理没有经过证明,因而质疑由光速不变为基础建立的狭义相对论。
其实光速变与不变并不重要,因而不需要证明,而且我们测量的结果确实是光速不变。
运动是相对的,这一点就足够了。就像我们不知道地球的速度到底是多少,我们假定地球是静止的(或者假定地球的速度是某个恒定的值)并不影响我们的任何物理研究和实验。
举个极端的例子(有的时候从极端可以推论出普遍情况):
假如一个有个人以光速跑步,我们在终点为他测速,当他经过起点时开始计时,当他到达终点时停止计时,把距离除以时间就是他的速度。
但是出问题了,因为光速不是无穷大,他经过起点时的信息以光速传到终点,而他以光速跑向终点,所以测量到的结果是他经过起点的同时他就在终点。而且他跑过的距离是0,因为终点就在起点。
上面的假设不可能存在,没有任何有质量的物体能达到光速。但是,从这个极端的假设,得出一个推论,速度越接近光速,我们看到的他的时间就越接近静止,他跑过的距离也越接近0。仅仅从这一点就能知道,速度越快,时间就越慢,距离也越短。
其实我们无法测量到光速的变化也正因如此,上面的跑步者换成光子,就说明一切了,在任何情况下我们都不可能测得出光速会有什么变化,因为光总是与它的信息一起到达测量计。
光是一切测量都必须依赖的尺子。
经典物理学是建立在绝对的时空概念上的理论与测量证明的科学,所以当“尺子”发生变化时,测量的一切数据也会跟着变化。而我们却无论如何也不能测到尺子本身发生了什么变化,那么我们就只能认定尺子没变。这就是相对性,就相当于我们无法感觉自己在移动的时候我们就认为自己是静止,是其他的物体在移动。这不会对客观事实造成错误。
当我们无法感觉尺子在变长时我们就只能认定是物体在变短。这就是狭义相对论的最基本构想。
谈到狭义相对率就应该了解一下洛伦兹因子,因为狭义相对论中的尺缩效应和时间变慢是狭义相对论的重要结论之一。
上图表示的是一个参照系看一个运动系上光子运动的情况。
ct'是动系上看光子运动的距离。
ct 是参照系上看光子运动的距离。
vt 则是动系相对参照系移动的距离。
显然:因为谁看光速都不变,所以c是一样的,t则是参照系上看到的时间,vt就是参照系上看到动系运动的距离。
这是一个直角三角形,所以有: (vt²+(ct')²=ct²
把这个等式变换一下以求得t'。
(ct')²=(ct)²-(vt)²;
c²t'²=c²t²-v²t²=t²(c²-v²)
t'²=t²(1-v²/c²)
t'=t√(1-v²/c²)
其中的√(1-v²/c²) 就是洛伦兹因子(或叫相对论因子)。
这一变换出来后绝对的时间概念就被打破了,居然在不同速度的惯性系上的时间是不同的。最不被人理解的就是这个根深蒂固的“时间会变慢”。
由此很多人推出了各种所谓的“悖论”,其实是一个极大的误解。
由于速度的不同,信息传送的速度是有限的,人们看到的结果必然是不同的,并不影响动系上的一切物理规律。
这就像我们看远处的人会变小一样,近大远小是人人皆知的透视规律,我们看到的远处的人变小,同时对方看我们也变小,不可能我们看他小他看我们大。
相对运动的系统,我看你时间变慢,你看我的时间也变慢。这是必然的。
通过一定的换算,我们能知道远处的人真实的高度,通过洛伦兹因子,我们也能计算出高速运动的惯性系上的真实时间。
爱因斯坦求和约定