回到初中物理
學過初中物理的人都知道,運動是相對的。脫離參照系來讨論一個物體的運動或靜止,是毫無意義的。這個參照系被稱為慣性坐标系。
我們來看一個例子:
有一輛坦克,以10米/秒的速度在前進。這輛坦克在行進過程中,發出一顆炮彈,炮彈相對坦克以20米/秒的速度飛行。那麼,以地面上站立不動的士兵為坐标系,炮彈相對士兵的速度是多少呢?
還是一輛坦克,以10米/秒的速度在前進。這輛坦克在行進過程中,打開探照燈射出一束光(大家都知道,光速是300000km/s,用小寫c表示)。那麼,以地面上站立不動的士兵為坐标系,這束光相對士兵的速度是多少呢?
狹義相對論
什麼是狹義相對論呢?狹義相對論是基于兩個重要的假設。
1.相對性原理:在所有慣性系中,物理定律都具有相同形式;或在任何一個慣性參考系内部,不能通過任何實驗測出該慣性系相對于其他慣性系的速度。
2.光速不變原理:在所有慣性系中,光在真空中的傳播速度均為c,與光源運動與否無關。
相對性原理并不難理解,任何的運動和靜止都是相對于某個坐标系的,并不存在絕對的靜止。在經典力學體系中也有類似的觀點,狹義相對論對這個原理進行了擴展和補充。
至于光速不變原理,對于我們這些生活在低速運動世界的人們來說,确實很難理解。無論我們相對于光做怎樣的運動,是迎着光跑過來,還是順着光一起跑,甚至用接近光速奔跑,光速相對于我們都是不變的!
這兩個假設還僅僅是狹義相對論的起點,通過這兩個假設,後面推導出的結果會更加不可思議。
時間膨脹效應
時間還會有不一緻的情況?在什麼情況下會出現呢?讓我們來看一個例子:
有一輛公共汽車以速度v向前行駛,從車底到車頂的高度是L。有人在車上打開手電筒,從車底向車頂照射。
以車上的人為坐标系,光所經過的路線是向上垂直的,路程是L,光到達車頂所花費的時間 t1=L/c。
那麼,以一個站在路邊的人為坐标系,光所經過的路線是什麼樣呢?
當光線向上照射的時候,車也在向前走,所以在路人看來,光線到達天花闆所經過的路線是斜向的:
假設路人看到光從車底到達車頂的用時是t2,那麼這個過程中汽車走出的距離就是v * t2。當然,圖中所畫的比例有些誇張,實際上汽車不可能走出這麼遠距離。
如此一來,光實際經過的距離是多少呢?用勾股定理可以算出光經過的距離,我們把這個距離設為D。
光速在任何坐标系下都是c,所以 t1 = L/c,t2 = D/c。
L是汽車的垂直距離,D是斜向的距離,顯然D大于L。
所以t2(路人感受到的時間)>t1(車上人感受到的時間)。也就是說,在行駛的汽車上,時間變慢了。
由此可見,時間并不是絕對的,對于不同慣性坐标系下的人可能會不一樣。有一個著名的科幻電影《星際穿越》,情節中父親高速飛行到遙遠的星系,回來以後發現女兒比自己還要老得多,就是這個道理。
“就算在飛機上坐一輩子,人們延長的生命還不足1秒鐘,遠遠不及劣質飛機餐對健康的殘害。”
長度收縮效應
為什麼說長度可以收縮?讓我們回到剛才公共汽車的例子,有一輛公共汽車以速度v向前行駛,從A點行駛到B點:
以汽車乘客的慣性坐标系來看,所花費的時間是t1,從路邊站立的行人來看,所花費的時間是t2。
汽車相對于道路的速度v,這個速度在兩個坐标系下看來是一樣的。因此,在汽車乘客看來,A點到B點的距離S1 = v * t1;在路人看來,A點到B點的距離S2 = v * t2。
剛才我們已經證明過 t1< t2, 所以S1也小于S2,也就是說對于車上的乘客而言,A點到B點的距離變短了。
運動物體沿運動方向的長度變短,這就是相對論的長度收縮效應。
僅僅冰山一角
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