相对论是如何产生的

以前不知道相对论是什么东西,不过大概知道相对论好像是说时间是相对的。可变快变慢。

这么奇怪的理论到底是怎么出来的,爱因斯坦为什么会有这些奇怪的想法呢?于是翻了翻他的《相对论》。大概理解了一下,略述如下。

在相对论之前,牛顿定律一统天下。牛顿定律研究的是物体的空间位置和时间之间的关系。不过为了更好的描述这种关系,事先,我们需要选择一个参考系,也就是坐标系。但是参考系不能乱选,如果你想要描述天上某个恒星的运动就不能选择地球作为参考系,因为如果把地球作为参考系,那些遥远的不动的恒星将会做圆周运动,而不是像牛顿惯性定律说的保持静止或者匀速运动。通常把惯性定律成立的坐标系,叫惯性系或者是伽利略坐标系。

在经典理论中,对于不同的惯性系,通过简单的位置变换(伽利略变换)以后,物体运动所适用的物理定律是一样的。比如说你在一个封闭的匀速运动的火车上,向前后左右每个方向所跳出的距离是一样的,无论是我选择火车车厢作为参考系还是选择地面上的铁轨作为参考系。因此适用的物理定律不会因为所选择的惯性系的变化而变化。

如果我们能够找到一个反例,那么就有理由说这个系统有问题。因此可以质疑上诉经典理论的正确性。

假设一个人A站在相对于一辆匀速行驶的列车的中部的铁轨上,他看到列车的头部和尾部同时被一个闪电击中。而另一个人B站在这个列车的中部,不过是在车上,那么B是不是也看到车头和车尾同时被闪电击中呢?

在铁轨的参考系中,车头车尾同时被击中,同时被看见这个没有问题。

在列车参考系中,车头和车尾被同时击中,但是因为B本身有速度,车头的闪电到B的时间要小于车尾的闪电到B的时间。此时B应该先看到车头的闪电,然后才看到车尾的闪电。

因此在这两个惯性系中,光线到达其中一点的时间是不一样的。在一个惯性系中相等的东西到另一个惯性系中却不相等了。于是我们有理由质疑经典理论的正确性。

那为什么这个时间不相等了呢?是因为这两个参考系需要使用不同的物理定律吗?这个显然不合适,但是如果使用同一套物理定律,那么又应该怎样把他们统一起来使得在地面上看到闪电同时而列车上看到闪电不同时同时适用呢?

为了统一这两个参考系,作为伽利略变换的推广,洛伦兹变换被提出。洛伦兹变换中除了考虑空间变换外,还添加了时间的变换,并在空间变换中考虑到了参考系本身的相对速度。因此每个参考系都有自己的时间空间体系,在一个参考系中同时发生的事情,在另一个参考系里却不一定是同时的。

基于以上的这些变换,大量的相关论点(诸如时间是相对的,长度也是可变的,质能方程等)被导出,相对论被提出。

 

 



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