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科普小讲座——狭义相对论

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                                  科普小讲座——狭义相对论[/b][/color]
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　　卡尔萨根写道「知识，就是我们的命运！」（《伊甸园的飞龙》）

　　对未知的恐惧与渴望是人类宝贵的财富。这种财富以科学的形式展现在我们
面前。

　　不管你过去用什么眼光看待这个世界，今天，我带你用科学的眼光，用狭义
相对论的眼光看待这个世界。

　　先来听一个小故事：在阿尔伯特国有一对孪生兄弟。哥哥叫费米，弟弟叫狄
拉克。哥哥费米从小就想做一个宇航员，而弟弟狄拉克想做一个工程师。在阿尔
伯特国里，没有什么梦想是无法实现的。在兄弟两而立之年的时候，他们如愿以
偿，成了一个优秀的宇航员和一个优秀的工程师。

　　作为一个优秀的工程师，弟弟狄拉克发明了一种新的推进器。他能把宇宙飞
船加速到我们想象不到的速度。而他的哥哥费米则搭乘装有这个推进器的飞船，
踏上了人类第一次离开太阳系的旅途。这一去就是四十年。四十年后，狄拉克已
经白发苍苍。他每天晚上都坐在院子里仰望星空，等待他哥哥的回来。终于，他
的哥哥回来了，但是他的弟弟怎么也不敢相信，四十年后的今天，他的哥哥和去
的时候一样年轻！

　　「狭义相对论！我的孩子！」阿尔伯特国的国王爱因斯坦说道。

　　正是狭义相对论的效果，使得一对孪生兄弟变成了一对父子般的年龄差距。

　　这究竟是如何做到的呢？

　　在绝大多数人的眼中，时间和空间是相互独立的。

　　时间仿佛一条不急不缓的河流，静静地从我们的空间中流过。

　　无论我们做什么，时间的流逝都不为我们所动。而空间也是不变的，相隔海
峡的亲人们你望我，我望你，都隔着同样的距离。

　　但事实并非如此。在狭义相对论的世界里，只有两样东西是不变的，不是时
间，不是空间，而是光速和物理规律。它们分别被称作[color=Red]光速不变原理[color=Black]和[/color]相对性原[/color]
[color=Red]理[/color]。

　　为了进一步介绍这两个原理以及它们对我们世界的影响，请允许我为大家解
释一个名词：参考系。

　　什么是参考系？参考系就是我们用来参考自身运动速度的东西。当你走路或
者跑步的时候，你是怎么知道你运动得多快呢？你观察大地！大地就是一个参考
系。你认为大地是不动的，你参考你与它相对位置的变化来判断你的速度大小，
这时，大地就是一个参考系。当然，你也可以以你自身为参考系，认为你自己静
止不动，这时候大地就向后「跑了起来」。

　　这时候我们可以发现，只要选取不同的参考系，我们的速度就会发生变化。

　　好比你坐在一辆车里向前开，在你的车的右边，也有一辆车以同样的速度向
前开。如果你以另一辆车为参考系，那么你的速度就是零！你仿佛静止不动！记
住，你的速度根据你选取的参考系的不同而改变！但是，光的速度却不会！

　　如果你的车子以光的速度ｃ向前开，这时候你想前射出一束光，你可以测得
这束光的速度是ｃ。假设有另一个人站在地面上，他观察你的小车的速度是ｃ，
由于光速不变原理，他测量你射出的这束光的速度还是ｃ！也就是说，他将看到
你的小车和你射出去的光平行向前运动，而你将会看到你射出去的光离你远去！

　　这是荒谬的！因为相对性原理告诉我们：在不同的参考系（必须是惯性的，
但是此处不作解释，上文中的参考系均是惯性的）里，我们看到的物理现象应该
是一样的。

　　什么是物理现象？一切你能看到的都是物理现象！光离你远去还是和你比翼
双飞就是一个物理现象。不管你是选取以光速ｃ向前飞驰的车的速度ｃ作为参考
系还是站在大街上以地面作为参考系，你不可能看到两个结果。

　　事实上，你看到的的确是一个结果。但他们看起来不一样，原因在于：[color=Red]当一[/color]
[color=Red]个物体运动时，它的长度将会变短，而它的时间也会走得更慢，并且运动的速度[/color]
[color=Red]越快，这个效果更显著[/color]。

　　这里的物体其实可以换成参考系，但为了方便大家理解，我们还是用物体表
示。

　　在刚刚那个小车问题中，如果我们拿一把尺放在你的面前。当你看到光从你
发射的位置走到尺的末端时，站在大街上的另一个人也看到了光从你发射的位置
走到尺的末端。但是，在他看来，那把尺要短很多。

　　事实上，由于你在以光速ｃ前进，他看到的那把尺的长度就缩短成了零！于
是你和光看起来也就比翼双飞了。这就是长度缩短效应。

　　如果我们在小车上放两面镜子，让光在至两面镜子中来回反射。每反射一次
的时间为一秒钟。（这样两面镜子要相隔十万八千里！）那么地面上的人会看到
什么呢？由于镜子和车连在一起，同样以光速向前运动，在他的眼里，第一次从
第一面镜子反射的光永远也到不了第二面镜子！（想一想刚刚那个比翼双飞！）

　　对于你来说的一秒钟，在他看来就是无限长！这也是由于你以光速ｃ运动的
道理。

　　如果你动的慢一些，那么你的一秒钟，就可能是他的两秒钟，你的几天，可
能是他的四十年！这就是时间延迟效应。

　　如果你看懂了我前面的几大段论述，甚至可以指出种种问题，那么你就几乎
完全理解了狭义相对论！而你的问题，可以给我留言，我做一定的解答。很可能
你问问题我也不甚了解，我们可以共同探讨。如果你觉得我不知所云，那也没有
关系，谁能理解相对论呢！但是你只要记住[color=Red]光速不变原理[/color]和[color=Red]相对性原理以及当一[/color]
[color=Red]个物体运动时，它的长度将会变短，而它的时间也会走得更慢，并且运动的速度[/color]
[color=Red]越快，这个效果更显著[/color]这两点四方面就可以了。

　　开玩笑的说，如果你想更苗条，活得更久，多跑跑就行了！

[[i] 本帖最后由 manisahotone 于 2011-1-20 09:43 编辑 [/i]]

这么高深的理论，看了3遍，还是没完全理解！:cry

太深奥了 如果爱因斯坦来解释 或许我还看的懂!!!

活得更久，多跑跑就行了？为何长跑运动员寿命都不长？

楼主一定是物理达人吧，可惜我看不懂。狭义和广义到底是针对什么来说的？

相对论在它出生至今，能真正看懂的人是没有几个的，它太深奥了。精神支持楼主

久闻相对论大名，一直无缘得见。呵呵
问题一，哥哥费米出发后，以他做为参考系，地球也是在飞速移动的，那么问题来了，为啥是他显得年轻，而不是其他的地球人显得年轻呢？
问题二，“如果你的车子以光的速度ｃ向前开，这时候你想前射出一束光，你可以测得这束光的速度是ｃ。假设有另一个人站在地面上，他观察你的小车的速度是ｃ，由于光速不变原理，他测量你射出的这束光的速度还是ｃ！也就是说，他将看到你的小车和你射出去的光平行向前运动，而你将会看到你射出去的光离你远去！”
如果我看到光离我远去，这说明在这个参考系里惯性是存在的，那么相对于另一观测者这个速度应该是2C，为什么他只测到了c呢？如果真的只能测到c，那么我更怀疑是我们的测量工具跟测量方法无法捕捉到超光速之物。我们看到东西是因为该物体的光在我们的眼中形成投影，如若有一物体以光速离我们远去，我们是看不到该物体的。如果有纳米级的物体以超光速向我们而来，那么我们会在被击中后才能捕捉到他，并且认为他的速度是光速。
问题三，尺子变短是我们的感觉还是真的变短？