于科学发展历程当中,1905年被称作是这般的:爱因斯坦奇迹年。在这特定的年份期间,爱因斯坦一共发布了4篇学术论文,单独的每一篇都是具备诺奖水准的理论,而且同样是具有开创性特质的科学成果。

其中,有一篇在1905年6月30号发表的文章,叫做《论动体的电动力学》,这篇文章后来也被称作狭义相对论。
就在当下的今天,乃是狭义相对论予以发表的一百一十四周年之际。此皆属于一百多年以前所产生的理论范畴,我们实在是不存在任何理由会看不懂它才对。就在今日当下,我即将针对你展开极为详尽的讲述:狭义相对论究竟具体阐述了些什么内容呢?
一场跨越200年的恩怨
狭义相对论得以诞生,实际上主要是源自一场历经200年科学史的恩怨。
将镜头切换至 17 世纪,首先出面的一号男配角,乃是被称作近代物理学之父的伽利略。
伽利略曾经提出过了一个“伽利略变换 ”:
在某一个参考系那里构建起来的物理定律,借助恰当的坐标变换,能够在任何参考系里适用。
有没有那种不明觉厉的感受的,实际上这些全都是唬人的。举个例子来讲你就会明白了,要是你在火车之上,旁边恰好也有一辆火车,在这个时候只要有一辆车子出现了移动的情况,那么坐在车上的人是特别难以分辨清楚究竟是自己所在的那辆火车动了,还是旁边的那辆动了的。
能够将这理解成运动具备相对性,要是借助一个简易的模型来讲便是:
A与B彼此相互靠近,要是选取A作为参考系,那么我们能够得出,A为静止状态,而B处于运动状态,倘若选择B作为参考系,那就意味着B是静止情形,A在进行运动。
没错,这就是初高中物理课上都会讲的“参考系”或者“参照物”
如果你在车上内向前走,那站在地面上的小伙伴看来,
你的速度等于火车的速度加上你在车上的速度,火车若速度为10m/s,你在车上速度为5m/s,那么你的速度等于10加上5等于15m/s。有没有发现,在这个理论当中,速度是能够叠加的。
随后,牛顿将经伽利略变换后所得内容纳入自身力学体系之中;我们于运用牛顿定律之际,均需预先确定好一个参考系。

不过,我们需要弄明白一件事,牛顿事实上做了一个假定,空间是绝对的,时间也是绝对的,空间和时间是相互独立的。
说白了就是,地球上全部的物体,对于时间的感受,都是相同的。空间也是如此,空间的距离,对于每一个人而言,都是一样的。要是非得简单归纳一下,那就是:空间、时间跟物体的运动状态,没有关联!
曾被广泛运用的牛顿理论,甚至具备预言海王星存在的能力,进而成为物理学领域中坚实稳固的基石理论。
过后,科学家着手钻研“电”以及“磁”,特别在麦克斯韦所处的时代,麦克斯韦给出了麦克斯韦方程。
将“电”与“磁”予以统一,进而提出了电磁波的相关概念,并且还做出了光是一种电磁波的预言。
物理学家赫兹借助实验证实了麦克斯韦的看法,然而问题恰恰就产生于此处,麦克斯韦方程是无需参考系的,简单来讲就是:
电磁波的速度,也就是光速,它并非要对标某个参考系才有意义,在任意一种惯性参考系之下的光速,均保持固定为3×10^8m/s。
这跟牛顿力学是相互抵触矛盾的,然而,牛顿力学正确到了那种程度,观测与理论适配得堪称完美,并且,麦克斯韦方程也稳固得如同磐石一般,能够对电磁现象做出良好的解释,那么究竟是哪儿出现了差错呢?
科学家们的妥协
要晓得,伽利略,牛顿,麦克斯韦,他们皆是物理学史上能力位居前五水平的人物,那可是绝对的超级厉害的人物。这般如同神仙之间争斗一般的情况,普通的物理学家就只能当个在一旁看着局势的旁观者。然而呢,物理学总归是要朝着前方不停地发展的呀,可是那些超级厉害的人物又不能去得罪,所以总得尽可能公平地对待各方。
因而,科学家们便寻思着:水波进行传播是要借助介质的高中物理相对论尺缩图,此种介质即为水。那么光传播是不是同样需要介质呢?
故而,那时的科学家觉得这个光传播的速度应当是相对于它的介质而言的,并非绝对的。所以,科学家认定空间里遍布着一种称作“以太”的物质。以太对于光(电磁波),恰似水对于水波那样。看上去相当完美,对不对?然而科学不能仅仅依赖想象力,得找寻证据证实“以太”确实存在。
经过科学家竭尽全力,穷尽所有办法之后,最终得出的结果是什么呢?很遗憾,这个结果是,以太并不存在!
这么一来呀,可就糟糕透顶了,折腾了好长一阵子,牛顿与麦克斯韦之间存在的矛盾终究没能够得以解决。于是乎,科学家们再度开启脑筋,绞尽脑汁想办法。当中最为出名进而广为人知的便是洛伦兹以及彭加莱!要是非得给这两个人寻觅出共同之处,那肯定是:与狭义相对论距离最为接近的男性。
洛伦兹堪称是个能在各方之间都圆滑周转的厉害角色,他左手施展着“伽利略变换”,右手运用着“光速在惯性参考系下速度不变”,随后将这二者予以结合,捣鼓出了一个就连他自身都没法领会的事物,而这个事物便是被称作的:洛伦兹变换。

彭加莱于哲学层面提出了一些想法,特别是关于同时性的相对性,所讲的乃是同一个事件,不同的人也就是不同参考系看到的极有可能并非同时发生,此取决于他们的运动状态。但是嘞,彭加莱仅仅是想一想罢了,然而谁也未曾在真正意义上提出一个能让大家满意的结果。
杨振宁曾于其文章《机遇与眼光》中写道,洛伦兹具备数学,然而却没有物理学,庞加莱拥有哲学,可同样没有物理学,恰是26岁的爱因斯坦勇于质疑人类有关时间的原始观念,秉持同时性是相对的,方能进而打开通向微观世界的新物理之门。
专利局三级技术员
没错,于一众学术界堪称大神之人遭遇失败局面以后,我们这个故事里的主人公突兀地出现了。然而,于讲述他那传奇之事以前,让我们先去知晓一番他的状况。
1905年6月30日,爱因斯坦发表了他的论文《论动体的电动力学》,他起初应该也如同洛伦兹、彭加莱那般,想要做到左右逢源,所以,从两条基本假设:
1. 相对性原理(伽利略变换)
2. 光速不变原理(光速在惯性参考系下速度不变)
这两条假设,一条是伽利略所提出的,另一条是基于麦克斯韦的理论,之后运用相同办法进行推导从而得出洛伦兹变换,刚才还提及洛伦兹看不懂这个东西,然而爱因斯坦与洛伦兹、彭加莱不同之处在于,爱因斯坦左右逢源的能力很强,并且还能顺便创造出一个崭新的世界。
那这个全新的世界是什么呢?
爱因斯坦的叛逆
应当讲是爱因斯坦所具有的那种叛逆 ,在他处于早先之前 ,没有任何人有胆量去质疑空间以及时间。所有人都认为空间和时间是绝对的 ,那什么被称作空间和时间是绝对的呢?其意思便是说。
对您来讲的一秒,对其余所有人而言同样是一秒,每个人的那一秒都是等同的。
不过爱因斯坦觉着这不太对,那就让我们去设想这样一幅画面,你是站在地面之上的,然而你的朋友却是身处一艘飞船之中的。在这个时候,你的朋友拿出了一个光钟,这玩意儿在现实生活里是不存在的,只是其原理跟时钟计时完全是同一个道理。毕竟爱因斯坦就是喜爱这样类型的“思想实验”,这个光钟的计时方式是这样确定的:把光上下往返一回的时间规定为一秒。
道理实际上跟时钟跑一圈的情况相同,倘若假定光速于任何参考系之下都是一样的,也就是光速不变原理,那么在飞船上的人所看到的光便是一上一下的,然而地面上的人看到的光实际所走的路径是倾斜的。
爱因斯坦觉得时间等于路程除以光速,在任何惯性参考系之下都是不变的,并且光速同样是不变的。所以,飞船上的人去看光往返一次作为1秒,然而在地面上的人看来缘于路径变长了,所需的时间就会更长一点,我们就设定为2秒。
倘若飞船里头有人陪伴着“光钟”的节拍去做广播体操,那么于飞船之上1秒钟能够完成的动作,地面上的人观看的话就需要2秒,简单来讲就是目睹的状态是广播体操的慢动作呈现。
反过来,要是地面上的人同样拿着一个“光钟”,实际上鉴于运动是相对的,情形会恰好颠倒过来。地面上的人所看到的是1秒,而飞船上的人看到的却是2秒,换句话讲,倘若地面上的人依照“光钟”的节奏去做广播体操,那么飞船上的人看到的同样是广播体操的慢动作。
被如此称呼的这种效应是:时间膨胀。它确实真实存在着,科学家借由μ(miù)子实验证实了这一情况。要是我们将飞船替换成高铁,那么高铁内部的钟表实际上是会变慢十亿分之一秒的,正是由于这个差异这般微小,所以我们才未曾感觉到。当速度格外快的时候,特别是越发接近光速,时间膨胀的效果就越发显著。
这个实验告诉我们一个道理:时间与物体的运动状态有关!
爱因斯坦讲,时间并非仅与物体运动状态相关,空间亦是如此。就以刚才提到的飞船为例,同样一段距离,因时间膨胀效应,在地面上看走完它或许得2秒,然而飞船里的人,1秒便走完了。并且,不管是飞船里的人还是地面上的人,飞船相对于这段距离的飞行速度都是一样的。由此表明,飞船上的人所看到的这段距离实际上比地面上的人看到的要更短些。这便是长度收缩。
要是飞船是以零点一倍的光速飞过去,那么在地面上所看到的飞船的情形便是如下这样子的。
如果飞船是以0.8倍的光速飞过,那飞船就会变短,
如果飞船是以0.95倍的光速飞过,飞船还会变得更短。
因此,我们能够发觉,速度越是趋近于光速,长度收缩的程度就越发严重。这表明:空间跟物体的运动状态存在关联!
爱因斯坦推进至更深层次,提出了一个极具颠覆性、能使人们的世界观和价值观遭受冲击的概念,即同时性的相对性。详细阐述为:
有两件事情,在一个坐标的情形下看它们是同时发生的,然而,当换成另外一个坐标系时,极有可能它们就并非是同时发生的那种状况了。
那具体咋回事呢?
我们同样要朝着爱因斯坦进行效仿,去开展一番思想实验。首先,能够去设想这么一种情况,存在着两列为数相同且大小并无二致的火车,它们运行的方向彼此相反,而且就之于地面速度的大小是不存在差异的。
只不过这两辆火车,并非处于同一轨道之内一流范文网,反而是那种所谓双层的、平行性的轨道,其中一辆火车是位于上方的轨道处,而另一辆则是处在下方的轨道处。咱们做出这样的规定,即“事件A”乃是上方火车的车头部分与下方火车的车尾部分相互碰面这种情况;“事件B”,则是下方火车的车头部分和上方火车的车尾部分彼此相遇的这般状况。
那么,问题出现了,究竟是“事件A”率先发生,还是“事件B”率先发生呢?
当然,如果你是在地面上看,两个事件确实是同时发生的。

可是你呀,要是处于那上面行驶的火车之内,那么下面行驶的火车相对你而言是存在运动情况的。上面有所提及,讲起来了尺缩效应。于是乎,你所见到的情形便是这般:下面的火车相较于你所在的火车,会显得短那么一些这样子。所以呀,你目睹的场景就会呈现为如此这般:
然而,这并非意味着,于那处在上方的火车里所目睹到的情形是,“事件A”的发生处于先,而“事件B”的发生落在后。
要是你处于下面的火车之上,那么上面的火车相对于你而言同样是存在运动情况的。这依旧是缘由于尺缩效应。因而,你会察觉到上面的火车相较你所在的火车而言是要短上一些的。故而,你所看到的场景应当是如此这般:
换一种说法来讲,于下方的火车内所目睹到的情形是,“事件B”的发生处于较前的时段,而“事件A”的发生则处在较后的时段。
然而,于此需留意一项要点,仅当速度极为庞大之际,越靠近于光速,此效应方才会愈发显著。在低速的情形之下,我们凭借肉眼根本无法察觉出丝毫差异咧。
所以,“同时”同样是个相对的概念,全都基于参考系来讲,不一样的参考系,情形是不一样的。
凭依这般的认知,爱因斯坦往昔的数学教师,有个叫闵可夫斯基的,提出了“光锥”这一概念。
针对这样的情况,我们能够凭借任意的事件去构建出一个坐标系,其中横坐标用来代表空间,纵坐标则用来代表时间,进而画出有关一个事件在该坐标系里的时空位置。
要注意了,这个光锥是专门针对事件而言的,未来光锥指的是:
现在对未来的事件的影响。
比如,下图中此刻的事件A,就很有可能对事件B产生影响。
而过去光锥指的是对现在有影响的过去事件。
亦即,唯有于“过去光锥”范围以内所发生的那些事件,方可对当下造成影响。处于“过去光锥”范畴之外的过往事件,鉴于光速存在的限制,暂时还不能够对当下施加影响。
比如:我写下这篇文章是事件A,而你看到这篇文章则是事件B。
所以,有一句很有名的话是这么说的:光锥之内就是命运。
现状,皆由过去光锥中的事件致使,过去之事已然发生,我们全然无力令其改变。若再深入探究,会发觉,我们永不能活在当下,那是由于我们所说的“当下”均源于过去。
比如说,当你对着镜子看的时候,你所瞧见的实际上是往昔的你自己,并非当下的你自己,其缘由在于你的脸庞把光线反射至镜子之上,镜子接着又将光线反射到你的眼睛之中,光线走过这段路途是需要耗费时间的,所以说,你看到的实际上就是过去时候的你自己。
这意味着,你所目睹的全部事件实际上乃是发生于往昔的,往昔的事件要对当下产生影响是需要耗费时间的; 并且当下所发生的事件所影响的并非当下,而是未来,这便是时间光锥给予我们的启迪。能够讲高中物理相对论尺缩图,爱因斯坦借助狭义相对论仅仅统一了时间与空间,然而这尚未结束。
质量就是能量
1905年9月的时候,在发表狭义相对论之后,爱因斯坦发表了另一篇论文,论文题目是《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,在这篇文章里,爱因斯坦统一了质量和能量,还提出了那个著名的质能方程。
那我们该如何理解质能方程呢?
在爱因斯坦出现之前,拉瓦锡提出了“质量守恒定律”,在牛顿力学之中,能量是守恒的。然而,爱因斯坦持有这样的观点:能量和质量并不是各自独立来保持不变状态的,它们实际上是同一回事。
著名科学家大栗博司曾举过这样一个例子:
假设你在中国和美国都存有款项的账户,两个账户内存款的价值不会出现变化。然而因为分属于两个不同国家,要是想把钱从一个账户转到另一个账户,那就得经由汇率来换算。在这里,我们能够将人民币视作能量,把美元认定为质量,要是总和维持不变,能量与质量能够相互转化。如此一来,E=mc^2便体现了能量和质量的汇率,其中光速c就是汇率制。
这个公式阐释了,为何原子弹的威力这般巨大,这是由于,原子核爆炸前后存在质量亏损,而这些质量全都转化成了能量。
关于狭义相对论,其实际涵盖的内蕴着实繁多,此次暂且讲述如此之多。要是打算深入去领会狭义相对论,实则需要动手开展相关的数学运算才行,这是鉴于相对论乃是违背常规认知的。那它为何会呈现出违背常规认知的状况呢?
宏观低速的世界是我们所生活的,在此种尺度范围之内,相对论效应实在是太小了,小到它难以供人去感受,就连仪器去测量都存在很大难度。在宏观低速这种情形之下,相对论跟牛顿力学是等效的,且相对论效应只有当速度越是趋近于光速之时,才会变得越发明显。
之所以会这样,是源于这个缘由,致使我们会觉着相对论特别违背普遍认知的常理。这向我们传达了一个道理:切莫被当下所处的生活给蒙蔽欺骗,要更多地去瞧瞧外面的广阔世界,唯有挣脱出自身的生活范畴,才能够更为深入透彻地领会理解这个世界。