狭义相对论和广义相对论都是相对论物理学的理论,是相对论物理学(常简称相对论)从不同角度上的描述方式。
狭度相对论主要是关于两个惯性系之间的时间和尺度的换算理论,解决了不同惯性系之间时空换算及速度叠加的问题。
狭义相对论的对象是惯性系之间的换算关系,所以不涉及力学关系。因为惯性系就是指不受任何力的系统。
狭义相对论可以看作相对论的微分表达方式,它适用的时间极短、尺度极小。有人说是相对论中的特例,其实不是特例,特例是只仅在一种特定的时间地点和条件下才成立的实例,而狭义相对论的规律是普遍的。
比如上面的图中,B是相对A作匀速直线运动的系统,但是,如果时间足够长,距离足够远,则A与B的距离、时间比就不是常数,即非线性。相对可以视为惯性系的时间和空间都只在一个微分点上成立。
广义相对论是相对论的积分表达,实际上是由无数个微分时间和空间的结果累积起来的宏观结果。
纵观宇宙中的物质,几乎没有任何物体的相对运动是线性的,一切物体都受着力的作用。所以,广义相对论就是解决非惯性系间的物理规律。也就是系统在引力场作用下的物理规律。
很多人感觉相对论难懂,甚至有人说全世界懂相对论的人不超过几百人。其实是对相对论的误解。相对论是非常简单的理论,仅仅需要人们改变一下观察角度。因为一切都是相对的,没有相对就没有事物。所以相对论的前提就是相对性原理。很多人始终站在绝对性的立场上来理解相对论,自然就出了矛盾,产生了各种所谓的悖论。使人感觉相对论太神奇不可理解。
比如常常有人说:一个物体以接近光的速度运动时,它的时间会变慢。
在相对论中,这句话不存在。因为在相对论中,一个物体是没有速度的。没有速度又怎么能说它以接近光速运动呢?所以说一个物体以接近光速运动,根本就不成立,又哪来的什么结果呢?
速度是描述两个质点相对距离变化快慢的一个物理量,一提到速度就必然是两个物体之间的距离变化。站在其中的一个物体上看,另一物体才有速度,但这并不是那个物体的速度,因为那个物体单独来说不存在速度。所谓的速度是指相对观察者的距离变化快慢。而并没有确定是谁在移动。
相对一个走路的人来说,地球的速度是1.3米/秒
相对一运行的汽车来说,地球的速度是13米/秒
相对飞行中的飞机来说,地球的速度是130米/秒
相对一颗飞行炮弹来说,地球的速度是1300米/秒
相对一个空间站来说,地球的速度是13000米/秒
相对一颗流星来说,地球的速度是130000米/秒
……
要是速度能改变时间,地球可以有无数个速度,那地球的时间咋变?
上面图中,A相对O以速度v惯性运动,B是A系统上的一点。
当A与O重合时,一光子从A射向B,在A看光子的路程是ct' ,在O看,光子的路程是ct ,并且在t 时间内A移动了vt 的距离。
三个长度的关系是:(ct')²+(vt)²=(ct)²
解得t' 与t 的关系式为:t'=t×√(1-v²/c²)
其中的√(1-v²/c²)就叫做洛伦兹因子(也叫相对论因子)
从上面的公式看,好像是t' 变慢了,因为相对论因子小于1。但是实际上是什么意思呢?从图上可以看到,无论速度v 是多少,对ct' 没有任何影响,受影响的只是O的观测结果。
洛伦兹变换的意义就是解决对相对观测者来说高速度运动的物体上的时间与观测到的时间之间的换算,并没有说它的时间变慢。相反,是观测到的时间变快了。当然可以说相对观测到的时间来说,高速运动的物体上的时间要慢一些。
反过来,A观测O上的时间也比测量到的要慢。这只是观测结果。就像我们看到远处的人会变小一样,你看他变小了,他看你也一样变小了,非常正常。不能说因为距离远那个人就变大了吧?然后再引出什么悖论,说一个人距离家很远时,当他再回到家就进不了家了,因为他变大了。
再看一下广义相对论,广义相对论也没有什么深奥的东西。其实那些知识在上初中时已经学过,只是没有当作相对论来讲。
引力公式:F=ma是学过物理的人都能倒背如流的最基本的公式之一,变换一下就得到了引力公式:a=F/m。
a是加速度,F/m就是引力场强度,即“单位质量所受的引力”。这个公式表明,加速度是引力场强度的值。
在物理中,从加速度的单位也能看出来,加速度的单位有两个,米/秒²、牛顿/千克。比如g=9.8牛顿/千克=9.8米/秒²,这就是地球表面的引力场强度。
质能公式:F=ma,两边同乘上距离就是功,而功就是能量转化量。那么质量全部转化成能量时,公式就是 FS=maS=mv²。这里的v是什么?显然一个物体没有速度(如果没有这一观念就不会有质能公式),这里的v一定是相对任何物体都不会变的恒定速度,那就是c。所以质能公式就应该是E=mc²。
当然从物理意义上理解相对论很容易,但是不能仅仅从物理意义上就确定质能关系公式,所以,爱因斯坦提出的质能公式叫做预言,而不是结论。后来通过严格的数学证明后才成为了实用的质能公式。
相对论就是站在相对性原理的角度上对物理学规律的审视。相对论的结论是从物理意义上与相对性原理相结合得到的预言再经过数学的证明后的结论。