浅谈对“经典力学”和“相对论”的理解

2019-1-22 11:02| 发布者: weixin| 查看: 682| 评论: 0|原作者: weixin|来自: 声振之家公众号

摘要: 经典力学的基本定律是，牛顿运动定律或与牛顿定律有关且等价的其他力学原理，它是20世纪以前的力学，有两个基本假定

　　经典力学的基本定律是，牛顿运动定律或与牛顿定律有关且等价的其他力学原理，它是20世纪以前的力学，有两个基本假定：

　　其一是，假定时间和空间是绝对的，长度和时间间隔的测量与观测者的运动无关，物质间相互作用的传递是瞬时到达的;

　　其二是，一切可观测的物理量在原则上可以无限精确地加以测定，它同时也是量子力学和相对论体系的基石。

　　经典力学的局限性在许多场合非常准确。经典力学可用于描述人体、物体的运动(如陀螺和棒球)，许多天体(如行星和星系)的运动，以及一些微尺度物体(如有机分子)。在低速运动的物体中，经典力学非常实用。在生活中，我们几乎不会遇见高速运动(光速级别)，因此，我们还是会以经典力学解释各种现象。但是20世纪以来，由于物理学的发展，经典力学的局限性暴露出来。在高速运动或极大质量物体之间，经典力学就 “ 心有余而力不足”了。这也正是现代物理学的范畴。之后爱因斯坦提出了相对论。

　　相对论相对论是关于时空和引力的基本理论，也是近代物理学的基础，主要由阿尔伯特·爱因斯坦 (Albert Einstein) 创立。依据研究的对象不同，分为狭义相对论和广义相对论。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，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。

　　相对论的两个基本假设：

　　 · 物理规律在所有惯性系中都具有相同的形式。(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′。)

　　 · 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。(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。)

　　洛伦兹变换

　　经典力学中的速度合成法，实际依赖于如下两个假设：

　　 · 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。

　　 · 两点的空间距离与测量距离所用的尺的运动状态无关。

　　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。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。

　　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。

　　时间与空间的联系

　　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。

　　来源：宇宙解码微信公众号(ID：ts-yzjm)

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