爱因斯坦的狭义相对论简介

爱因斯坦的狭义相对论简介

狭义相对论

狭义相对论

1905年爱因斯坦发表了物理学界最重要的论文之一，狭义相对论，狭义相对论解释了速度如何影响质量、时间和空间。这项理论还包含了用光速定义质量和能量的关系，很小的一点质量也可以转换成巨大的能量，也就是后来的著名公式E=MC²。

狭义相对论里的狭义，主要是适用于讨论当能量巨大，速度巨大和天文学里尺度超大时，但并没有包含“引力”概念。后来爱因斯坦在1915年正式把引力加入他的理论中，也就是后来所说的广义相对论。

当一个物体的速度接近光速时，它的质量也变得无限大，移动它所需要的能量也是无穷大，这也意味着任何物体不可能比光速跑的还快。这一宇宙间的速度极限也让物理学进入了一个新的领域，也包括科幻界，因为人们总是想穿越浩瀚宇宙，探索更遥远的世界。

爱因斯坦之前

牛顿三定律

在爱因斯坦之前，天文学家了解宇宙主要靠牛顿三大运动定律（1686年发表），它们分别是:

任何物体都要保持匀速直线运动或静止状态，直到外力迫使它改变运动状态为止。，这一定律也称之为惯性定律。物体加速度的大小跟作用力成正比，跟物体的质量成反比，且与物体质量的倒数成正比；加速度的方向跟作用力的方向相同。相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。

牛顿定律在方方面面都证明是正确的，也是我们了解力学和引力的基础。但是，有几项牛顿理论解释不了，其中一个就是光。

为了把光的一些奇怪特性嵌入牛顿力学框架中，在1800年以后，科学家们假想出光在传输过程中需要一种介质，光以太。这种假设的以太媒介必须要足够硬来传播光波，就像琴弦和声音的关系，但是在恒星和行星的运动中又不能被侦测到。

后来人们都不遗余力的找以太，希望能了解更多。直到1887年，迈克尔逊和莫雷为测量地球和以太的相对速度，进行了著名的迈克尔逊-莫雷实验。遗憾的是，实验结果显示，不同方向上的光速都是一样的。

如果地球在以太中运动而光速一直保持不变，那么可以得出结论，一开始就没有以太这个玩意，光是在真空中传播的。那么这也意味着，经典物理学已经不能够解释，物理学需要升级到2.0。

爱因斯坦是如何得出狭义相对论的？

年轻时期爱因斯坦

按照爱因斯坦自传里（1949）的说法，他16岁就考虑光的问题了。当时还是孩子的他想象追上一束光会如何？经典物理学会解释如果爱因斯坦追上光速，那么光波相对速度为零，因为两者的速度一样，爱因斯坦会看到光是一个冻结的电磁场。但是爱因斯坦认为这又和麦克斯韦的理论是矛盾的，后者的公式要求电磁波在真空中的速度永远都是30万公里/秒。

有人曾经质疑16岁爱因斯坦应该还没见过麦克斯韦的方程，但是由于已经写在他的回忆录里，因此他见过麦方程还是被广泛认可的。如果一个人真的达到光速，并看到和前面描述的那样，那么整个物理学将会因他而改变。实际上，爱因斯坦也在着手研究一套统一理论，而且这个理论让它对任何人，任何地点，任何时间都是一样有效。

爱因斯坦后来想出来了雷击火车实验，说的是接近光速的火车里有一个观测者，铁轨旁（车外）也有一个观测者。当火车运行到两棵树之间时，一道闪电同时击中了两棵树，对于铁轨旁的观测者来说，两棵树同时被击中。但是对于车里的人来说，他先看到行驶方向的树被击中然后是远离火车的树被击中。

爱因斯坦突然意识到事件同时性并非绝对，换句话说，同时发生的事对于可能处于不同的时间里，取决不同观测者的角度。不是光速在变，而是时间是相对的。时间的流逝对于运动和静止的事物是不同的，而光不管在哪里都是相同的。

E=MC²是什么意思？

E=MC²公式

这可能是人类科学史上最著名的公式，E=MC²。E是代表能量，M是质量，C是光速，那么能量就等于质量乘以光速的平方。换句话说，就是能量与质量是可以相互转化的，实际上它们就是同一事物的不同表现形式。

但是这种相互之间的转化也不是容易的，因为光速本身就是一个很大的数值，如果再平方，那会更大的惊人。一个很小的物体就可以拥有很大份能量，比如一个曲别针，如果把里面的原子都转换成能量，那么它会有18000吨TNT当量，相当于广岛原子d的威力。

时间膨胀

时间膨胀

爱因斯坦的狭义相对论预示这时间对于观测者来说是相对的。一个物体的运动经历着着时间膨胀，它的运行速度越快，时间就会越慢，相比于其静止的时候。

比如双胞胎两兄弟，一个上了空间站一个在地球上，一年之后，地面上的兄弟就会比空间站的兄弟老那么一点点，虽然可能只老了区区5毫秒。当然这点区别可以忽略，但是如果空间站的兄弟以接近光速飞行，比如99.5%光速，飞行了5年以后当他回来时，相对他来说只是过了5年，而他的孪生兄弟很有可能已经是爷爷辈的了。

虽然我们不能以光速前进，但是时间膨胀效应确实对现代科技的精度有一点点影响。

GPS（全球卫星地位系统）是至少通过三颗在轨卫星实现精准定位，卫星之间相距都比较远而且都在高速飞行，因此时间精度问题就必须要求很高，所以GPS卫星里都使用原子钟。卫星带着原子钟以每小时14000公里的速度在太空飞行，根据狭义相对论原理，它每天就多出来7微秒（或者说相对地球慢了7微秒），所以GPS卫星时钟每天都需要加上7微秒。

到此还没完，根据广义相对论（狭义相对论中包含了引力），时钟靠近大质量天体中心时，比如地球时间会变慢（相对于远距离的物体，所以地表比卫星时钟更慢），因此GPS卫星上的原子钟实际还要减去45微秒（因为更快），一加一减，最终GPS卫星上的原子钟每天要都要修正38微秒（7-45=-38)才能开始第二天工作。

狭义相对论与量子力学

量子力学

狭义相对论与量子力学是现代科学两个被广泛接受模型，用于揭秘宇宙的根本原理。狭义相对论更适合超大的距离，速度和物体，且事件发生具有连续性和确定性。而量子力学则认为事件发生是跳跃的波动的，认为结果有概率问题，不确定性。

有学者试图将量子力学和广义相对论联系起来，但是从另一个角度说也是非常难的，这也是是物理学界未解决的难题。最近几十年，弦理论似乎可以把两者联系起来。现在又出现一种新的“时空环”理论，试图把相对论与量子力学进行联姻。