相对论简介 高中物理：相对论简介

经典相对论原理

如果牛顿运动定律在一个参考系中成立，那么这个参考系叫做惯性系，另一个相对于一个惯性系匀速直线运动的参考系也是惯性系。

我们引用了伽利略的一段话，生动地描述了在一艘平稳运行的大船上发生的事情。“船静止时，你仔细观察，虫子匀速向四面八方飞去，鱼向四面八方自由游动，水滴落入下面的锅里；当你向你的朋友扔东西时，只要距离相等，你在这个方向上不会比在另一个方向上使用更多的力。双脚一起跳，任何方向跳的距离都是一样的。你仔细观察这些东西后，让船以任何速度移动。只要动作均匀，不左右摇摆，你就会发现以上所有现象根本没有改变。你不能从他们中的任何一个确定。通过这样的描述和日常经验，人们很容易相信力学定律在任何惯性系中都是一样的。这个讨论叫做伽利略相对论原理。相对性原理可以有不同的表达方式。比如可以表示为:任何一个惯性参考系中的力学实验，都无法判断它是否相对于另一个惯性参考系匀速直线运动；换句话说，任何惯性系都是相等的。

在不同的参考系中观察，物体的运动可能不同。例如，在一个参考系统中，物体是静止的，在另一个参考系统中，它们可能是运动的，并且它们的运动速度和方向在不同的参考系统中可能不同。然而，它们在不同的惯性系统中遵循相同的力学定律，如遵循相同的牛顿运动定律和相同的运动合成定律...

光速造成的困难

自从麦克斯韦预言了光的电磁性质和电磁波的速度，物理学家就一直在思考这个速度是针对哪个参考系的。如果有一个特殊的参考系O，光到这个参考系的速度为C，另一个参考系O′相对于参考系O沿光传播方向以速度V运动，那么在O′中观察到的光的速度应为c-v，如果参考系O′逆着光传播方向运动，则在参考系O′中观察到的光的速度应为C+V .

由于一般物体的运动速度远小于光速，而且c+v和c-v与光速C之差很小，在19世纪的技术条件下很难直接测量，所以物理学家设计了许多巧妙的实验，试图测量不同参考系中光速的差异。最著名的实验是由美国物理学家迈克尔逊设计的，他将一束光分成两条互相垂直的光束，其中一条光束的传播方向与地球的运动方向相同。另一束垂直于地球运动的方向，然后导致它们干涉。如果不同方向的光速略有差异，两束光互相替换时，干涉条纹会发生变化。因为地球在宇宙中高速运动，希望对光速有很大影响。然而，这个实验和其他实验表明，无论光源和观察者做什么样的相对运动，光速都是相同的。这些负面结果震惊了当时的物理学家，因为它不同于传统。

狭义相对论的两个假设

以上矛盾让我们面临一个艰难的选择:要么放弃麦克斯韦电磁理论，要么否定一个特殊参考系的存在。爱因斯坦选择了后者。他认为既然力学定律在不同的惯性系中是相同的，我们自然会认为电磁定律在不同的惯性系中也是相同的，也就是说没有特别的参考系(比如地球参考系，太阳参考系，或者所谓的以太……)。

在不同的惯性参考系中，所有的物理定律都是一样的。这个假设常被称为爱因斯坦的相对论原理。

另一个假设是:

真空中光速在不同的惯性参考系中是相同的，与光源和观察者的运动无关。这个假设通常叫做光速不变原理。

这两个假设似乎是迈克尔逊实验的直接结论。为什么叫假说？这是因为，虽然实验表明了假设所说的，但毕竟是有限的实验。只有基于这两个假设的逻辑推理(包括数学推导)得出的大量结论与事实相符，才能成为真正意义上的原理。

同时相对论

作为相对性两个假设的直接推论，我们将讨论“同时性”的相对性，以认识到相对性所描述的世界与我们的日常经验有多么不同。

我们研究两个“事件”的同时性。在这里，“事件”可以指光子与观测仪器的碰撞、闪电击中地面以及婴儿的出生...

假设一列长火车在一条直线轨道上匀速行驶。车厢中央的光源发出闪光，击中车厢的前后壁。这是两个事件。马车上的观察者认为这两个事件是同时发生的。在他看来，这很好解释，因为车厢是一个惯性系统，光速相同，前进和后退，光源在车厢的中心。闪光肯定会同时到达前后墙(图A)。

车底观察者不同意。他观察到闪光首先到达后壁，然后到达前壁。他的解释是，地面也是一个惯性系统，闪光前进和后退的速度对于地面是一样的。但是在闪飞向两堵墙的过程中，车向前行驶了很长一段距离，所以向前的光行驶的时间更长，到达前墙的时间也更晚(图B)。这两个事件是不同的。

在经典物理学家的心目中，如果两个事件在一个参考系中看起来是同时发生的，那么在另一个参考系中也一定是同时发生的，这似乎是自然的，无需讨论。但如果接受爱因斯坦的两个假设，自然会得出“同时性是相对的”这个结论。为什么日常生活中没有人意识到这种相对性？原来火车运动的速度远小于光速。在光从车厢中心传播到前后墙的短时间内，火车无法行进很远的距离，所以地面观察者不会发现闪光到达前后墙的时间差。

时间与空的相关性

时间间隔的相对性

经典物理学认为，在不同的惯性系中观察到两个事件时，它们之间的时间差，即它们的时间间隔，总是相同的。但是从狭义相对论的两个基本假设出发，可以看出时间间隔是相对的。

以高速列车为例，假设列车地板上有光源，发出闪光。对于火车上的人来说，闪光到达光源正上方高度h的小镜子后被反射，然后回到光源的位置(如图A所示)，往返时间为△t’。

对于地面观察者来说，情况就不一样了。从地面来看，在光传播过程中，列车向前移动一定距离，所以被小镜子反射后被光源接收到的闪光就是沿着AMB路径传播的光(图B)。如果火车的速度为V，地面观测者返回光源所用的时间为△t，那么可以用勾股定理得到

这是另一个令人惊讶的结论:至于闪光灯从光源发出，经小镜子反射后再返回光源所花的时间，地面人测得的结果和车上的不一样，地面人认为这个时间更长。

更严谨的推导表明(1)具有普遍意义，即从地面上看，火车上的时间过程变慢。因为火车在行驶，火车上所有的物理、化学、生命过程都变慢了:时钟跑得慢，化学反应慢，甚至人的新陈代谢也慢...但是火车上的人没有这种感觉。相反，他们认为地面上的时间进程比火车上的慢，因为他们