相对论爱因斯坦 爱因斯坦广义相对论公式

爱因斯坦相对论内容

归纳来说，狭义相对论主要内容是2条假设展开来的研究

1.所有惯性系中的物理定律都有相同的数学表达式。

2.光速不变原理。

广义相对论的主要内容：等效原理

引力场与时空的研究

爱因斯坦的相对论如何理解？

相对论结论是：超过光速，时间倒流，回到过去，也就是穿越时空。\x0d\x0a爱因斯坦认为光速不可能达到和超过，因此不会有穿越时空。\x0d\x0a普适相对论认为光速可以超过，但不会穿越时空。\x0d\x0a相对论（英语：Theory of relativity）是关于时空和引力的理论，主要由爱因斯坦(Albert Einstein)创立，依其研究对象的不同分为狭义相对论(特殊相对论)和广义相对论(一般相对论)。\x0d\x0a基本简介\x0d\x0a相对论（Relativity）的基本假设是相对性原理，即物理定律与参照系的选择无关。狭义相对论（Special Relativity）和广义相对论（General Relativity）的区别是，前者讨论的是匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定律，后者则推广到具有加速度的参照系中（非惯性系），并在等效原理的假设下，广泛应用于引力场中。相对论和量子力学是现代物理学的两大基本支柱。经典物理学基础的经典力学，不适用于高速运动的物体和微观领域。相对论解决了高速运动问题；量子力学解决了微观亚原子条件下的问题。相对论颠覆了人类对宇宙和自然的“常识性”观念，提出了“时间和空间的相对性”、“四维时空”、“弯曲空间”等全新的概念。狭义相对论提出于1905年，广义相对论提出于1915年（爱因斯坦在1915年末完成广义相对论的创建工作，在1916年初正式发表相关论文）。\x0d\x0a由于牛顿定律给狭义相对论提出了困难，即任何空间位置的任何物体都要受到力的作用。因此，在整个宇宙中不存在惯性观测者。爱因斯坦为了解决这一问题又提出了广义相对论。\x0d\x0a狭义相对论最著名的推论是质能公式，它说明了质量随能量的增加而增加。它也可以用来解释核反应所释放的巨大能量，但它不是导致原子弹的诞生的原因。而广义相对论所预言的引力透镜和黑洞，与有些天文观测到的现象符合。\x0d\x0a提出过程\x0d\x0a绝对时空观\x0d\x0a所谓时空观，即是有关时间和空间的物理性质的认识。伽利略变换是力学相对论原理的数学描述。它集中反映了经典力学的绝对时空观。\x0d\x0a1．时间间隔与惯性系的选择无关\x0d\x0a若有两事件先后发生，在两个不同的惯性系中的观测者测得的时间间隔相同。\x0d\x0a2．空间间隔也与惯性系的选择无关\x0d\x0a空间任意两点之间的距离与惯性系的选择无关。\x0d\x0a可以看出，在经典力学中，物体的坐标和速度是相对的，同一地点也是相对的。但时间、长度和质量这三个物理量是绝对的,同时性也是绝对的。这就是经典力学的绝对时空观。\x0d\x0a以太\x0d\x0a十九世纪中叶，麦克斯韦建立了电磁场理论，并预言了以光速C传播的电磁波的存在。在十九世纪末，实验完全证实了麦克斯韦理论。整个宇宙空间充满一种连续介质叫做“以太”，光线和射电讯号是在以太中的波动。完整理论需要的是仔细测量以太的弹性性质，为此，哈佛大学建立了杰弗逊实验室，整个建筑不用任何铁钉，以免干扰磁测量，然而因策划者忽视了褐红色砖头中所含大量铁，预计实验无法如期进行。到世纪之末，开始出现了和穿透一切以太的观念的偏差，如果认为地球是在一个静止的以太中运动，那么根据速度叠加原理，在地球上沿不同方向传播的光的速度必定不一样，但是实验否定了这个结论；如果认为以太被地球带着走，又明显与天文学上的一些观测结果不符。就此，人们发现，这是一个充满矛盾的理论。\x0d\x0a两个基本假设\x0d\x0a1．物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式。\x0d\x0a2．在所有的惯性系中，光在真空中的传播速率具有相同的值C。\x0d\x0a第一个叫做相对性原理。它是说：如果坐标系K'相对于坐标系K作匀速运动而没有转动，则相对于这两个坐标系所做的任何物理实验，都不可能区分哪个是坐标系K，哪个是坐标系K′。\x0d\x0a第二个原理叫光速不变原理，它是说光（在真空中）的速度c是恒定的，它不依赖于发光物体的运动速度。\x0d\x0a从表面上看，光速不变似乎与相对性原理冲突。因为按照经典力学速度的合成法则，对于K′和K这两个做相对匀速运动的坐标系，光速应该不一样。爱因斯坦认为，要承认这两个假设没有抵触，就必须重新分析时间与空间的物理概念。\x0d\x0a洛伦兹变换\x0d\x0a经典力学中的速度合成法则实际依赖于如下两个假设：\x0d\x0a1．两个事件发生的时间间隔与测量时间所用的钟的运动状态没有关系。\x0d\x0a2．两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。\x0d\x0a爱因斯坦发现，如果承认光速不变原理与相对性原理是相容的，那么这两条假设都必须摒弃。这时，对一个钟是同时发生的事件，对另一个钟不一定是同时的，同时性有了相对性。在两个有相对运动的坐标系中，测量两个特定点之间的距离得到的数值不再相等，距离也有了相对性。\x0d\x0a如果设K坐标系中一个事件可以用三个空间坐标x、y、z和一个时间坐标t来确定，而K′坐标系中同一个事件由x′、y′、z′和t′来确定，则爱因斯坦发现，x′、y′、z′和t′可以通过一组方程由x、y、z和t求出来。两个坐标系的相对运动速度和光速c是方程的唯一参数。这个方程最早是由洛仑兹得到的，所以称为洛仑兹变换。\x0d\x0a利用洛仑兹变换很容易证明，钟会因为运动而变慢，尺在运动时要比静止时短，速度的相加满足一个新的法则。相对性原理也被表达为一个明确的数学条件，即在洛仑兹变换下，空时变量x'、y'、z'、t'将代替空时变量x、y、z、t，而任何自然定律的表达式仍取与原来完全相同的形式。人们称之为普遍的自然定律对于洛仑兹变换是协变的。这一点在探索普遍的自然定律方面具有非常重要的作用。\x0d\x0a时间与空间的联系\x0d\x0a此外，在经典物理学中，时间是绝对的。它一直充当着不同于三个空间坐标的独立角色。爱因斯坦的相对论把时间与空间联系起来了。认为物理的现实世界是各个事件组成的，每个事件由四个数来描述。这四个数就是它的时空坐标t和x、y、z，它们构成一个四维的刚性连续时空，通常称为明可夫基里平直时空。在相对论中，用四维方式来考察物理的现实世界是很自然的。狭义相对论导致的另一个重要的结果是关于质量和能量的关系。在爱因斯坦以前，物理学家一直认为质量和能量是截然不同的，它们是分别守恒的量。爱因斯坦发现，在相对论中质量与能量密不可分，两个守恒定律结合为一个定律。他给出了一个著名的质量-能量公式：E=MC^2，其中c为光速。于是质量可以看作是它的能量的量度。计算表明，微小的质量蕴涵着巨大的能量。在后来的核反应试验中证明了这一点。\x0d\x0a

爱因斯坦的相对论

爱因斯坦的相对论分狭义和广义。怎么说呢？ 运动物体必须有一个参考物，这个参考物就是参照系；狭义的相对论是将地球上的物体作为参照系，加上光速不变原理，来推导物质运动原理； 广义相对论是将 参照系放到整个宇宙，来研究宇宙物质的运动。

1905年，爱因斯坦提出狭义相对论，说 运动的物体与静止的物体时间是不一样的 。

相对论爱因斯坦 爱因斯坦广义相对论公式

举个例子：

此前我一直未懂，为什么？这里的关键是： 光速是不变的 。它没有随火车的运动而变快。

我们做这样一个实验：

相对论爱因斯坦 爱因斯坦广义相对论公式

假设你现在在一辆火车上，火车的速度是100米每秒，然后你以1米每秒的速度在火车里面往前走，这时候你想象一下如果地面上有个人，他测量你的速度的话，会是多少？

相对论爱因斯坦 爱因斯坦广义相对论公式

答案是101米/秒；但如果你在火车里打开一个手电筒，我们再测量这个光速（约30万公里/秒），光速还是原来的光速，并没加上火车的速度，一点没变。

所以运动物体体验的时间相对静止物体会少：他过了一秒，你过了一年。

（有时我会想：为什么同龄的郭德钢与林志颖面相差异如此大？难道跟小志是赛车手有关。还有是不是越运动越年轻？包括大脑。）

牛顿在理解物体下落和行星运转的原因时，一直想像空间是一个巨大的空容器，一个装宇宙的框架。所有物体都在其中做直线运动，直到有一个力使它们的轨道发生弯曲。但他至死没弄明白：空间是什么。

爱因斯坦受法拉第“电磁场”无处不在的启发，想象空间就是一个“引力场”， “引力场”就是空间 ，这是广义相对论的核心。从这个理解出发，爱因斯坦推论出：

太阳会使其周围的空间发生弯曲，所以地球并不是在某种神秘力量的牵引下绕着太阳旋转，而是在一个倾斜的空间中行进。就好像弹珠在漏斗中滚动一样：漏斗中心并不会产生什么神秘的“力量”，是弯曲的漏斗壁使弹珠滚动的。所以无论是行星绕着太阳转，还是物体下落，都是因为空间发生了弯曲。

光在太阳周围受强引力影响会发生弯曲，时间也是。爱因斯坦曾预言，在高空中，在离太阳更近的地方，时间会过得比较快，而在低的地方，离地球近的地方时间则过得比较慢。

当一个大恒星燃烧完自己所有的燃料（氢）时，它就会熄灭。残留的部分因为没有燃烧产生的热量的支撑，会因为自身的重量而坍塌，导致空间强烈弯曲，最终塌陷成一个真真正正的洞。这就是著名的“黑洞”。

这些都是空间引力场的作用。

爱因斯坦将广义相对论用一个简洁公式表示：

但说实话，我一点看不懂。只能说：厉害！

狭义相对论的关键元素是光速不变，广义相对论的关键元素是：空间就是引力场。

我有时会想：这个“引力场”（空间）与宇宙中的物质（星云、恒星等）关系，就像海洋与陆地、女性与男性；这个“空间”又像宇宙学家说的 “暗物质 ”能量 （物质与能量是统一体，在一定条件下互转）。

190314