愛因斯坦是怎樣提出狹義相對論的?什麼是狹義相對論的基本原理?
本文已影響8.08K人
本文已影響8.08K人
愛因斯坦是怎麼提出狹義相對論的?狹義相對論的基本原理是什麼?狹義相對論是什麼意思?跟一起來了解一下吧!
狹義相對論是怎麼創立的?
早在16歲時,愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進的電磁波,他產生了一個想法,如果一個人以光的速度運動,他將看到一幅什麼樣的世界景象呢?他將看不到前進的光,只能看到在空間裏振盪着卻停滯不前的電磁場。這種事可能發生嗎?
與此相聯繫,他非常想探討與光波有關的所謂以太的問題。以太這個名詞源於希臘,用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀的笛卡爾和其後的惠更斯首創並發展了以太學說,認爲以太就是光波傳播的媒介,它充滿了包括真空在內的全部空間,並能滲透到物質中。與以太說不同,牛頓提出了光的微粒說。
牛頓認爲,發光體發射出的是以直線運動的微粒粒子流,粒子流衝擊視網膜就引起視覺。18世紀牛頓的微粒說佔了上風,19世紀,卻是波動說佔了絕對優勢。以太的學說也大大發展:波的傳播需要媒質,光在真空中傳播的媒質就是以太,也叫光以太。
與此同時,電磁學得到了蓬勃發展,經過麥克斯韋、赫茲等人的努力,形成了成熟的電磁現象的動力學理論——電動力學,並從理論與實踐上證明光就是一定頻率範圍內的電磁波,從而統一了光的波動理論與電磁理論。以太不僅是光波的載體,也成了電磁場的載體。直到19世紀末,人們企圖尋找以太,然而從未在實驗中發現以太,相反,邁克耳遜莫雷實驗卻發現以太不太可能存在。
電磁學的發展最初也是納入牛頓力學的框架,但在解釋運動物體的電磁過程時卻發現,與牛頓力學所遵從的相對性原理不一致。按照麥克斯韋理論,真空中電磁波的速度,也就是光的速度是一個恆量;然而按照牛頓力學的速度加法原理,不同慣性系的光速不同。
例如,兩輛汽車,一輛向你駛近,一輛駛離。你看到前一輛車的燈光向你靠近,後一輛車的燈光遠離。根據伽利略理論,向你駛來的車將發出速度大於C(真空光速3x10^8m/s=3×10∧5km/s)的光,即前車的光的速度=光速+車速;而駛離車的光速小於C,即後車光的速度=光速-車速。但按照,這兩種光的速度相同,因爲在麥克斯韋的理論中,車的速度有無並不影響光的傳播,說白了不管車子怎樣,光速等於C。麥克斯韋與伽利略關於速度的說法明顯相悖。我們如何解決這一分歧呢?
愛因斯坦似乎就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人。愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論,特別是經過赫茲和洛倫茲發展和闡述的電動力學。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的,但是有一個問題使他不安,這就是絕對參照系以太的存在。
他閱讀了許多著作發現,所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的。經過研究愛因斯坦發現,除了作爲絕對參照系和電磁場的荷載物外,以太在洛倫茲理論中已經沒有實際意義。於是他想到:以太絕對參照系是必要的嗎?電磁場一定要有荷載物嗎?這時他一開始懷疑以太存在的必要。
愛因斯坦喜歡閱讀哲學著作,並從哲學中吸收思想營養,他相信世界的統一性和邏輯的一致性。相對性原理已經在力學中被廣泛證明,卻在電動力學中卻無法成立,對於物理學這兩個理論體系在邏輯上的不一致,愛因斯坦提出了懷疑。他認爲,相對論原理應該普遍成立,因此電磁理論對於各個慣性系應該具有同樣的形式,但在這裏出現了光速的問題。
光速是不變的量還是可變的量,成爲相對性原理是否普遍成立的首要問題。當時的物理學家一般都相信以太,也就是相信存在着絕對參照系,這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。19世紀末,馬赫在所著的《發展中的力學》中,批判了牛頓的絕對時空觀,這給愛因斯坦留下了深刻的印象。1905年5月的一天,愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題,貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法,兩人討論了很久。
突然,愛因斯坦領悟到了什麼,回到家經過反覆思考,終於想明白了問題。第二天,他又來到貝索家,說:謝謝你,我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事:時間沒有絕對的定義,時間與光信號的速度有一種不可分割的聯繫。他找到了開鎖的鑰匙,經過五個星期的努力工作,愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。
狹義相對論基本原理是什麼?
1905年6月30日,德國《物理學年鑑》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》,在同年9月的該刊上發表。這篇論文是關於狹義相對論的第一篇文章,它包含了狹義相對論的基本思想和基本內容。狹義相對論所根據的是兩條原理:相對性原理和光速不變原理。愛因斯坦解決問題的出發點,是他堅信相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理的思想,但他沒有對時間和空間給出過明確的定義。
狹義相對論是什麼意思?
牛頓建立力學體系時也講了相對性思想,但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動,在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發展了相對性原理,在他看來,根本不存在絕對靜止的空間,同樣不存在絕對同一的時間,所有時間和空間都是和運動的物體聯繫在一起的。對於任何一個參照系和座標系,都只有屬於這個參照系和座標系的空間和時間。
對於一切慣性系,運用該參照系的空間和時間所表達的物理規律,它們的形式都是相同的,這就是相對性原理,嚴格地說是狹義的相對性原理。在這篇文章中,愛因斯坦沒有討論將光速不變作爲基本原理的根據。
他提出光速不變是一個大膽的假設,是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太與電動力學問題的結果,他從同時的相對性這一點作爲突破口,建立了全新的時間和空間理論,並在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的。
什麼是同時性的相對性?不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發生的呢?一般來說,我們會通過信號來確認。爲了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度,但如何測出這一速度呢?我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間,空間距離的測量很簡單,麻煩在於測量時間,我們必須假定兩地各有一隻已經對好了的鐘,從兩個鐘的讀數可以知道信號傳播的時間。但我們如何知道異地的鐘對好了呢?答案是還需要一種信號。
這個信號能否將鍾對好?如果按照先前的思路,它又需要一種新信號,這樣無窮後退,異地的同時性實際上無法確認。不過有一點是明確的,同時性必與一種信號相聯繫,否則我們說這兩件事同時發生是無意義的。
光信號可能是用來對時鐘最合適的信號,但光速非無限大,這樣就產生一個新奇的結論,對於靜止的觀察者同時的兩件事,對於運動的觀察者就不是同時的。我們設想一個高速運行的列車,它的速度接近光速。列車通過站臺時,甲站在站臺上,有兩道閃電在甲眼前閃過,一道在火車前端,一道在後端,並在火車兩端及平臺的相應部位留下痕跡,通過測量,甲與列車兩端的間距相等,得出的結論是,甲是同時看到兩道閃電的。
因此對甲來說,收到的兩個光信號在同一時間間隔內傳播同樣的距離,並同時到達他所在位置,這兩起事件必然在同一時間發生,它們是同時的。但對於在列車內部正中央的乙,情況則不同,因爲乙與高速運行的列車一同運動,因此他會先截取向着他傳播的前端信號,然後收到從後端傳來的光信號。對乙來說,這兩起事件是不同時的。也就是說,同時性不是絕對的,而取決於觀察者的運動狀態。這一結論否定了牛頓力學中引以爲基礎的絕對時間和絕對空間框架。
相對論認爲,光速在所有慣性參考系中不變,它是物體運動的最大速度。由於相對論效應,運動物體的長度會變短,運動物體的時間膨脹。但由於日常生活中所遇到的問題,運動速度都是很低的(與光速相比),看不出相對論效應。
愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學,指出質量隨着速度的增加而增加,當速度接近光速時,質量趨於無窮大。他並且給出了著名的質能關係式:E=mc^2,質能關係式對後來發展的原子能事業起到了指導作用。
她令君主對她寵愛有加,可以和呂后武則天相提並論
物理學家愛因斯坦睡眠時間 愛因斯坦智商是多少
資本主義理論是什麼時候產生的?又是怎麼發展起來的
馬克思主義有着哪些理論?這些理論的來源是什麼
日本對徵韓論的主要觀點分別是什麼樣的 相關的發展及影響如何
論文樹懶是什麼意思什麼梗 論文樹懶的含義及出處
管仲病榻論相的故事是怎麼樣的?病榻論相有多準?
愛因斯坦狹義相對論的基本內容
俄國文學評論家別林斯基簡介 俄國現實主義文學理論的奠基者
本居宣長有着哪些國學理論?對日本有着怎樣的影響
科學家首次模擬出五維黑洞 廣義相對論被崩潰了!
日本爲什麼會對徵韓論爭論不休呢 造成這樣的結果的原因是什麼
是誰提出了相對論 相對論是誰提出的
陸遜爲什麼不能跟周瑜相提並論?原因是什麼
廣義相對論有用嗎 爲什麼我們沒有感受的到
周瑜提出的二分論是什麼?和諸葛亮提出的隆中對比呢?
什麼是狹義相對論
徵韓論是什麼時候提出的?徵韓論對日本有什麼影響
愛因斯坦的電梯假想實驗是怎樣的?他得出了哪些結論?
玻爾茲曼死了兩年之後 愛因斯坦爲他證實了他的理論
什麼是廣義相對論
日食試驗證明了愛因斯坦的理論
哈爾斯坦主義提出的歷史背景,哈爾斯坦主義的內容是什麼?
劉備一定要發動夷陵之戰的真相是什麼?爲關羽報仇?
西漢的霍氏家族挑戰了什麼底線 慘遭滅族
齊國和魯國關係不是很好 爲什麼還容忍它在臥榻邊安然
明朝的海外探險與歐洲貿易:一段跨越時空的交流
曹操率軍盜墓雖然缺德,但他提出的薄葬制度卻造福後世
坐高鐵可帶自熱飯嗎?高鐵上可以吃自熱鍋嗎?
古代沒有狂犬病疫苗 古人被狗了應該怎麼辦
鄧禹西征失敗的第一責任人是誰,是劉秀嗎?
杜牧是什麼人?他的一生都經歷了哪些事情?
長刀之夜的影響:希特勒掌握了德國的絕對統治權
大玉兒人才兩全,爲何皇太極卻不喜歡她呢?
每秒跳繩7.3下破2項世界紀錄 迪拜王子求合影
諸葛亮死後劉禪還做了近30年皇帝 劉禪是怎麼做到的
京風毛菊長什麼樣子?都有哪些形態特徵呢?
慈安太后人物簡介 慈安太后有孩子嗎