相对论与经典物理学的区别在于两点:
1、所参照的系统不同:经典物理学的运动绝对参照物是以太(或等价的“绝对空间”),相对以太的运动速度就是绝对速度。相对论认为宇宙中不存在绝对静止的以太,但是光相对空间的速度是恒定的,因此可以把光作为参照系统。
2、对光速的认识不同:经典物理学在一种对光的错误认识的理论下采用了错误的方法测量光速变化失败后,认为光相对惯性系的速度不变。相对论并没有明说光速会变,但是默认光相对惯性系的速度是会变的。
这里面造成这种分歧的原因是人们对光的认识存在误区。在光的波动说的理论下,人们用光干涉方法测量绝对运动显然是不可能成功的。又因为这个理由认为光相对惯性系的速度不变就更是错上加错了。
但是,人们已经证明了光的速度与光源的运动无关,因此可以肯定光在宇宙真空中的速度不受任何影响,是一个恒定值。那么,人们无法捕捉以太的情况下,换用光代替以太就是所当然的选择了。但是,相对论这样做的同时,否认了光相对惯性系的速度不变这个经典物理学中的错误。虽然并没有明着反驳,但是在推导中却默默的采取了光速会变的前提。这就使得相对论中无意中排除了因为迈-莫实验造成的错误认识,意外的使用了并没经过经典物理学证明的光速会变的方法推导出了相对论的结论。而恰恰这些结论与事实相符了(因为理论上正确了)。
绝对时间、空间是分离的,互不相关。但是在相对论中,因为光速不变是前提假设,因此,速度成了基本参照,时间与空间无法分割了。
有人说相对论中的前提是光速不变,为什么我前面说相对论默认光速会变呢?
这就是参照系的原理,我们可以认为河水在流动,但是我们完全可以假设河水静止河岸移动。假设是可以任意选择的,不需要事实的支持和证明。
相对论在推导狭义相对论的同性时的相对性时用了光速可变的前提,而在后面以光作参照物时,光速就必须是固定不变的,这是一种变换,不是因果关系的推导。这一点是最容易让人糊涂的地方。
以光作参照物时,就会发生变换。比如,我们用放大镜看物体时会感觉物体放大了。经典物理学的解释很容易懂,是光发生了折射,而眼睛感觉不到这种折射,所以感觉物体变大了。
而相对论则以光为参照物,就是坐标,光是直线传播的,因此光的速度和方向都不变,那么这种折射就只能描述为空间发生了弯曲。
从这个意义上说,相对论的结论是我们的观测结果,而经典物理学的结论则是对观测结果的解释。
我想要搞清这个问题我们再看一下狭义相对论中对时间的同时性的推理过程:假设一列高速运行的火车首尾同时遇到闪电,在地面火车中点位置上看到的是闪电同时发生。而在火车上的中点的观察者会因为与前面传来的光相向而行,与后面传来的光同向而行。这一速度差使车上的观察者先看到前面的闪光,后看到后面来的闪光。(这里就用了光速与火车的速度叠加的作用,即光速可变)。这导致了地面观察者看到的同时的事件在车上看到的不同时。
但是,车上的人并不感觉前面来的光要比后面来的光快,因此,这里得出的结果依然是观测结果,不是事实。而前面说过,相对论的结论就是观测结果。
最重要的就是狭义相对论的变换因子:这里面我们更能体会到相对论的结论与观测结果的关系。
上面的图中,A是相对O以速度v运动的惯性系,B是A系统上的一点。
在A点与O点重合的瞬间一光子由A射向B。
在A系统上看,经过t'时间光子到达B,光子的路径是ct',在O系统上看,因为光速是参照,不能改变(或者人们也无法感觉光的速度改变了),所以光子的路径是ct,同时A也移动了vt的距离。
三个长度的关系很简单,勾股定理都知道:(ct')²+(vt)²=(ct)²
解出来就得到:t'=t√(1-v²/c²) 或 t=t'/√(1-v²/c²)
单从公式看好像t'变慢了,但是从图上看就会发现,无论v多快或多慢,ct'都不会受影响,受影响的是O上观测到的ct。现在清楚了,时间变慢是从观测者的角度上来说的,事实上ct'没有任何改变,只是观测者测到的时间变快了,所以说高速运动的物体上的时间变慢了,其实是比观测到的时间慢。
我想现在应该明白了,相对论的三观新在思考问题的角度和参照变换上,其他就并没有太多的新的内容了。但是相对论的光速事实上是可变的,说光速不变是因为光在相对论中是参照系系统,可以这样说,参照物速度不变。这一点要心知肚明,否则可能就理解不了相对论了。