狭义和广义相对论, 爱因斯坦的相对论是怎么一回事

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牛顿在17世纪80年代首次总结出了物体的运动定律。

根据这些定律,不同的运动可以按照简单的算术法则相加起 来。假设有一列火车以每小时20公里的速度从你身边驶过, 而车上又有个孩子以每小时20公里的速度向列车行进方向 抛掷一只小球。在和列车一起前进的这个孩子看来,小球的 速度是每小时20公里。而在你看来,火车的运动要和小球 的运动加在一起,结果,小球就以每小时40公里的速度运 动了。

所以,你能够看出,不能单单就小球来确定它的速度。

速度是相对于某个特定观察者而言的。任何一种试图解释速 度(及有关的其它现象)在不同观察者看来的变化情况的运 动理论,都是一种“相对论”。

爱因斯坦的与众不同的相对论源于这样一件事实:在火 车上扔小球的这种做法,似乎对于光就不再适用了。光是能 够顺着或逆着地球的运动方向运动的。在前一种情况下,它 似乎会传播得比后一种情况下快。这正象飞机在顺风飞行时 相对于地面的速度要比逆风飞行时高一些一样。然而,对光 速所进行的最精密的测量表明,无论发光的光源如何运动, 光速永远是不变的。

因此,爱因斯坦宣称:假设光在真空里的速度已经测得, 那么,它将永远保持这个速度不变(每秒30万公里),在 任何情况下都是如此。对于这一设想,宇宙间的各种定律相 应地又该怎样安排呢?

爱因斯坦发现,为了保证光速是一个恒量,人们必须接 受许许多多出乎意料的事情。

他发现,随着物体运动速度的增加,物体在运动方向上 会变得越来越短,直到在达到光速时,长度变到零为止;与 此同时,物体的质量会变得越来越大,在达到光速时,质量 会变为无穷大。他还发现,当物体的运动速度越来越小时, 在运动物体上时间流逝的速度也会不断减小,而在达到光速 时,时间就会完全停止。他又发现,质量等价于一定的能量, 能量也等价于一定的质量,等等。

他把上述对匀速运动物体的所有规律归纳起来,并于 1905年以“狭义相对论”的名称予以发表。1915年, 他又在讨论变速运动物体的规律方面得出了更为深奥的结果, 同时还对引力作用进行了一番新的表述。这些成果被称为 “广义相对论”。

只有当物体有很大的运动速度时,爱因斯坦所预言的某 些变化才能被人们所察觉。亚原子粒子就有这样的速度。人 们对亚原子粒子进行观测,发现爱因斯坦的预言是正确的, 而且还是十分正确的。老实说,如果爱因斯坦的相对论是错 误的,我们那些轰击原子的装置就无法运转,原子弹也不会 爆炸,某些天文观测也无法进行了。

不过,在通常的速度下,爱因斯坦所预言的各种效应都 是极小的,因此可以被忽略掉。这时,牛顿定律的简单的算 术加法就起作用了。由于在我们所处的环境中,牛顿定律总 是适用的,因此,它们被我们看作是一种“常识”。而爱因 斯坦的定律却被看成“不可思议的”。

阿西莫夫《你知道吗?—现代科学中的一百个问题》 科学普及出版社 1984年

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47 简单扼要地讲,爱因斯坦的相对论是怎么一回事?

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作者 tuenhai:这个星球上对大道理解最为深刻的人,著有《道解相对论》《圣医治国——黄帝内经客观点评》《理性即慧根》《父母怎么教育孩子》。咨询微信或QQ (备注 tuenhai.com)

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