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漫画:什么是狭义相对论?

2019-10-21 08:48 941 查看













回到初中物理


学过初中物理的人都知道,运动是相对的。脱离参照系来讨论一个物体的运动或静止,是毫无意义的。这个参照系被称为惯性坐标系


我们来看一个例子:


有一辆坦克,以10米/秒的速度在前进。这辆坦克在行进过程中,发出一颗炮弹,炮弹相对坦克以20米/秒的速度飞行。那么,以地面上站立不动的士兵为坐标系,炮弹相对士兵的速度是多少呢?




还是一辆坦克,以10米/秒的速度在前进。这辆坦克在行进过程中,打开探照灯射出一束光(大家都知道,光速是300000km/s,用小写c表示)。那么,以地面上站立不动的士兵为坐标系,这束光相对士兵的速度是多少呢?







狭义相对论




什么是狭义相对论呢?狭义相对论是基于两个重要的假设。


1.相对性原理:在所有惯性系中,物理定律都具有相同形式;或在任何一个惯性参考系内部,不能通过任何实验测出该惯性系相对于其他惯性系的速度。


2.光速不变原理:在所有惯性系中,光在真空中的传播速度均为c,与光源运动与否无关。


相对性原理并不难理解,任何的运动和静止都是相对于某个坐标系的,并不存在绝对静止。在经典力学体系中也有类似的观点,狭义相对论对这个原理进行了扩展和补充。


至于光速不变原理,对于我们这些生活在低速运动世界的人们来说,确实很难理解。无论我们相对于光做怎样的运动,是迎着光跑过来,还是顺着光一起跑,甚至用接近光速奔跑,光速相对于我们都是不变的!


这两个假设还仅仅是狭义相对论的起点,通过这两个假设,后面推导出的结果会更加不可思议。



时间膨胀效应





时间还会有不一致的情况?在什么情况下会出现呢?让我们来看一个例子:


有一辆公共汽车以速度v向前行驶,从车底到车顶的高度是L。有人在车上打开手电筒,从车底向车顶照射。



以车上的人为坐标系,光所经过的路线是向上垂直的,路程是L,光到达车顶所花费的时间 t1=L/c


那么,以一个站在路边的人为坐标系,光所经过的路线是什么样呢?


当光线向上照射的时候,车也在向前走,所以在路人看来,光线到达天花板所经过的路线是斜向的:



假设路人看到光从车底到达车顶的用时是t2,那么这个过程中汽车走出的距离就是v * t2。当然,图中所画的比例有些夸张,实际上汽车不可能走出这么远距离。


如此一来,光实际经过的距离是多少呢?用勾股定理可以算出光经过的距离,我们把这个距离设为D。


光速在任何坐标系下都是c,所以 t1 = L/c,t2 = D/c

L是汽车的垂直距离,D是斜向的距离,显然D大于L


所以t2(路人感受到的时间)>t1(车上人感受到的时间)。也就是说,在行驶的汽车上,时间变慢了


由此可见,时间并不是绝对的,对于不同惯性坐标系下的人可能会不一样。有一个著名的科幻电影《星际穿越》,情节中父亲高速飞行到遥远的星系,回来以后发现女儿比自己还要老得多,就是这个道理。





“就算在飞机上坐一辈子,人们延长的生命还不足1秒钟,远远不及劣质飞机餐对健康的残骸。”




长度收缩效应




为什么说长度可以收缩?让我们回到刚才公共汽车的例子,有一辆公共汽车以速度v向前行驶,从A点行驶到B点:



以汽车乘客的惯性坐标系来看,所花费的时间是t1,从路边站立的行人来看,所花费的时间是t2。


汽车相对于道路的速度v,这个速度在两个坐标系下看来是一样的。因此,在汽车乘客看来,A点到B点的距离S1 = v * t1;在路人看来,A点到B点的距离S2 = v * t2


刚才我们已经证明过 t1< t2, 所以S1也小于S2,也就是说对于车上的乘客而言,A点到B点的距离变短了


运动物体沿运动方向的长度变短,这就是相对论的长度收缩效应。




仅仅冰山一角





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