廣義相對論和狹義相對論到底是講什麼的?能有個簡單的比喻說清楚嗎? | 知乎問答精選

 

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廣義相對論和狹義相對論到底是講什麼的?能有個簡單的比喻說清楚嗎?

2018年10月03日 知乎問答精選 暫無評論 閱讀 3 ℃ 次

【陳浩的回答(27票)】:

伽利略:我坐在平穩行駛的火車裡,我分不清是火車沒動地面在向後走,還是地面沒動火車在向前走,我認為這兩種看法是一樣的。如果有人把車窗都關了,我無論如何都不知道火車什麼速度向什麼方向行駛。(相對性原理

眾人:樓主正解,樓主大牛。

=====若干年後=====?

眾人:火車怎麼開,測到的光的速度都一樣,怎麼回事?

石頭:光速不變,樓主還是正解。(狹義相對論

眾人:哦。。。樓上大牛。

石頭:而且我不需要火車平穩行駛。如果我感到有加速度,我分不清是火車加速了,還是火車後面出現了質量巨大的東西。如果我一覺醒來在電梯裡,並且覺得失重,我無論如何都不知道,是電梯在地球上向下加速呢,還是我被人搬到月球上去了。(廣義相對論

=====深奧的總結=====

狹義相對論:所有慣性參照系都等價。

廣義相對論:所有參照系都等價。

=====傲驕的補充=====

看了其他答案,發現都和本人一字之差

我眼中:不同的參照系一樣。

其他人:不同的參照系一樣。

不得不說,這一字之差,卻是理解相對論的關鍵。zhihu.com/question

【朱松清的回答(8票)】:

物理學最早的對稱性是伽利略對稱,或伽利略變換只是空間坐標的變換,與時間無關,意味著在此基礎上的牛頓定律通過它對任何不同運動狀態的觀察者而言是不變的。這種變換和不變性意味著物理定律對不同慣性系統的對稱性。

但麥克斯韋把電和磁統一成一組方程後,問題出來了,光速可以從其方程裡算出來,而且實驗物理學家發現光速是個常量,與觀測者的運動狀態無關。通過光速不變,會導致推論出高速運動的時間膨脹,和空間收縮,甚至E=MC2。愛因斯坦甚至宣佈世界的一切事物都是以光速在時空中運動。高速運動的系統裡意味他在時間裡的運動比靜止系統的慢,因為他在時間裡的運動有些轉移到空間了,所以他的鍾會變慢。進而推論假如系統在時間裡的運動完全轉移到空間來了,系統在空間的運動速度就達到最大速度。進而推論到以光速在空間運動的系統,沒有一點在時間運動,因此光子不會老,從大爆炸出來的光子到今天依然一樣,在光速下,沒有時間的流逝。

這時需要引進洛侖茲變對稱性,它的基本意思是這樣的,一個物理定律對不同的慣性系都有不變的形式結構,同時在不同的慣性系看來光速是不變量。愛因斯坦用洛侖茲變換檢驗和改造了牛頓力學,使之成為洛侖茲不變的力學理論——狹義相對論。「所謂相對論,與其說是一種理論,不如說是對物理理論的一種很合理很基本很公理化的要求」,就是要求物理理論要滿足洛侖茲不變性。愛因斯坦對上帝思想的直覺判斷,他相信上帝的思想和美學極其簡單,它不過就是要求上帝的旨意不能因時因地因人而異,於是這個簡單得不能再簡單的要求演繹出特別費解和深奧的理論。但再費解的東西也必須能被理解,比如,光速是常量,如果一個奔跑的人(速度為V)向你拋來一個光速(c)的蘋果,按常理蘋果速度是V+c?的話,那麼會出現什麼情況呢?你將先看到飛來的蘋果,後看到投擲的動作。

狹義相對論與以前的物理學規律一樣,都只適用於慣性系。但事實上卻很難找到真正的慣性系,愛因斯坦有一個「愉快的思想旅程「,他發現在一個空間的人是區分不出他是以1G的加速度飛行,還是在地球上,這就是」等效原理「,---加速度和引力是等效的----這樣就可以用加速度來理解引力了。然後他發現了在加速度飛行飛船上的射出的光線是彎曲的,而光線總是按最近的距離傳遞,進而推論引力會導致空間彎曲,「質量導致時空彎曲,而彎曲的時空又決定物質的運動」「Matter decides times and space, time and space decides the movement of matter」。這是廣義相對論的最簡單文字表述了,雖然數學上表述和求證相當複雜。事實上他包含了及其深刻的對稱性,廣義坐標不變性。不同的加速度時空體系,測得其他體系的速度是不同的,但在本體系中的物理定律不變。我舉個例子,一個以近似光速運動的粒子,在地球人看壽命是8秒,此後衰變,而在粒子自身的時鐘裡它自我感覺存活了2秒,在地球人看它奔跑了8倍光速的距離,在它自己看來,它只跑了2倍光速的距離。所以在洛侖茲變換下,同一個物理事件,用不同慣性系的時鐘所測量出的運動距離、運動時間都不相同,但是同一個事件在不同慣性系看來不僅能推導相同的物理定律,而且能測量出相同的光速。

【尕藏的回答(4票)】:

1905?年,愛因斯坦在他?26?歲時發表了一篇名為《論動體的

電動力學》的論文。文中他假設物理定律和作為特例的光速對所

有做勻速運動的觀測者來說都應該具有相同的形式。結果證明這

個觀點需要變革我們空間和時間的概念。為了理解何以如此,我

們設想噴氣式飛機上在同一地點但不同時間發生的兩個事件。對

飛機上的觀測者來說,兩個事件之間的距離將會是零,但對於地

面上的另一名觀測者而言,兩個事件隔開了一段距離,這段距離

等於噴氣式飛機在兩事件發生的時間間隙內經過的距離。這表明

兩名彼此相對運動的觀測者在事件發生的距離上出現了意見分

歧。

現在假設這兩名觀測者都在觀測一個從機尾行進至機頭的光

脈衝。正如上述例子,他們將在光脈衝從機尾發射到機頭接收經

過距離這一問題上產生分歧。由於速度就是經過距離除以所用時

間,因此這也就意味著,如果他們對光脈衝行進的速度——即光

速——意見一致,他們就會對光脈衝從發射到接收所經過的時間

間隔意見不一致。

使事情變得奇怪的是,儘管這兩名觀測者測得了不同的時間,

但是他們卻是在觀察著同一個物理過程。愛因斯坦並不試圖為此

建立一個人為解釋。他得出了一個符合邏輯但卻令人震驚的結論,

所用時間的測量正如所經距離的測量,依賴於正在進行這項測量

的觀測者。這個效應是愛因斯坦?1905?年論文所述理論的關鍵點之

一,該理論形成了所謂的狹義相對論。

如果你在噴氣式飛機上彈球,在飛機上的觀測者會肯

定地認為球每次反彈都撞在同一點,而地面上的觀測者則會測量出反彈點位

置的巨大差異。

假如我們考慮兩名觀測者觀察一隻鐘,就能發現這個分析如

何運用到計時儀器上。狹義相對論保證了,在相對於鍾保持靜止

的觀測者看來,鍾走時會變快,而在相對於鍾運動的觀測者看來,

鍾走時會變慢。如果我們把從機尾行進至機頭的光脈衝比擬為鍾

的滴嗒聲,我們會發現,在地面上的觀測者看來,鍾變慢了,因

為這道光束相對於他的參照系不得不行進更大的一段距離。然而

這個效應並不依賴於鐘的機械構造,它對所有鍾成立,甚至包括

運動著的鍾看上去走時更慢。由於這同樣適用於生物鐘,所以運

動著的人看上去也將衰老得更慢,但別抱太大希望——在日常的速度下,任

何常規的時鐘都測量不出其中的差別。

愛因斯坦的研究表明,正如靜止這樣的概念是相對的,時間

也不會像牛頓認為的那樣絕對。換句話說,要為每個事件賦予所

有觀測者都贊同的時間是不可能的。相反,所有的觀測者都有他

們自己的時間測量,而且兩個彼此相對運動的觀測者所測量的時

間並不一致。愛因斯坦的觀點違背了我們的直覺,因為對於我們

日常生活通常遭遇到的速度而言,它所蘊含的效應是無法覺察的。

但是,它已經被實驗反覆確證了。舉例來說,設想一隻位於地心

用作參照的鐘,另一隻鍾位於地表,第三隻鍾搭載於飛機上,飛

機順著或者逆著地球自轉的方向飛行。與位於地心的鍾比照,當

飛機向東飛行時——順著地球自轉方向——飛機上的鍾移動得比

地表那只更快,因而它走時應該更慢。類似地,與位於地心的鍾

比照,當飛機向西飛行時——逆著地球自轉方向——飛機上的鍾

移動得比地表那只更慢,因而意味著它走時應該比地表的那只更

快。這正是?1971?年?10?月進行的一項實驗的觀測結果,實驗中讓

一隻非常精密的原子鐘圍繞著地球飛行。因此,你可以搭乘飛機

朝著向東的方向環繞地球一直飛行以此來延長壽命,儘管你可能

會對航空公司播放的所有電影感到厭煩。不過,這個效應是非常

微小的,每一次環行大約為億萬分之十八秒(而且這個效應還會

由於引力差異的效應而有所減小,但是這裡我們不必去涉及它。)

歸功於愛因斯坦的研究,物理學家意識到,如果要使得光速

對所有的參照系都保持相同,那麼麥克斯韋的電磁學理論就要求

不能將時間作為與三維空間分離的對象來看待。相反,時間和空

間糾纏在一起。這就有點像把關於未來/過去的第四個方向加到通

常的左/右、前/後和上/下的三個方向中去。物理學家把這種空間

和時間的結合稱為「時空」,又因為時空包含了第四個方向,所以

他們把時間稱為第四維。在時空中,時間不再與三維空間分離,

而且粗略地講,正如左/右、前/後、上/下的定義依賴於觀測者的

方位,時間的方向也隨著觀測者的速度而變化。以不同速度運動

的觀測者會從時空中選擇不同的時間方向。愛因斯坦的狹義相對

論因而成為了一個新模型,它排除了絕對時間和絕對靜止(即相

對於固定的以太靜止)的概念。

愛因斯坦很快意識到,為了使引力與相對論協調還需要作另

外一個改動。根據牛頓引力理論,在任何給定的時間,物體通過

引力彼此吸引,引力的大小取決於當時物體間的距離。然而相對

論已經推翻了絕對時間的概念,因此就無法確定應於何時去測量

質量物體之間的距離。所以牛頓的引力定律和狹義相對論並不一

致,必須加以修正。這個矛盾聽起來可能僅僅是一個微不足道的

修改。但是,結果表明這種想法大錯特錯了。

在接下來的十一年裡,愛因斯坦發展了一個新的引力理論,

稱為廣義相對論。廣義相對論中的引力概念與牛頓的完全不同。

相反,它建立在革命性的設想之上,即時空並非像早先假定的那

樣平坦,而是被處於其中的質量和能量扭曲變形。

想像這種彎曲的一個好辦法就是思考地球的表面。儘管地球

表面只是二維的(因為沿著這個表面只存在兩個方向,北/南和東

/西),我們還是將用它作例子,因為一個彎曲的二維空間比一個

彎曲的四維空間更容易想像。研究諸如地球表面這類的彎曲表面

的幾何不是我們熟悉的歐氏幾何。舉例來說,地球表面,兩點間

最短的距離——我們知道在歐氏幾何中這是一條直線——是在所

謂的大圓上連接兩點的路徑。?大圓是在地球表面上圓心與地球中

心重合的圓,赤道就是大圓的一個例子,赤道圍繞不同的直徑旋

轉所得的任何圓也是大圓)。

比如說,想像你要從紐約飛往馬德里,這兩個城市幾乎處於

同一緯度。如果地球是平的,那麼最短的路線就是一直向東的一

條直線。如果你這樣飛的話,你將飛行?3707?英里才能到達馬德里。

但是由於地球表面是彎曲的,有這樣的一條路線,儘管在平面地

圖上看起來是彎曲的也顯得更長了,但實際上卻是更短的。如果

你沿著大圓的路線飛行,先向東北方向飛行,再逐漸向東,然後

再往東南,你只需要飛行?3605?英里。這兩條路線距離的差別,

是由於地球表面的彎曲所造成的,這也是非歐氏幾何的一個示例。

航空公司知道這個事實,每當實際飛行時都安排飛行員沿著大圓

飛行。? 地球表面上兩點之間最短的距離,當繪製在平面地圖上

時就顯得彎

曲——這是需要記在腦海裡的事實,如果你還正式檢驗過的話。

按照牛頓運動定律,加農炮彈、牛角麵包和行星等等的物體

都沿直線運動除非受到了諸如引力這樣的外力作用。但是,在愛

因斯坦的理論中,引力不像其他的力,毋寧說,它是質量扭曲時

空發生彎曲這一事實的結果。在愛因斯坦的理論中,物體沿測地

線運動,測地線是彎曲空間中最接近直線的東西。在平面上,測

地線是直線;在地球表面,測地線是大圓。如果不存在物質,四

維時空中的測地線就對應著三維空間中的直線,但是當物質存在

時,它就扭曲時空,物體在其對應的三維空間中的路徑就發生彎

曲,這在某種意義上就好像牛頓理論中用引力吸引來解釋的那種

樣式。當時空不再平坦,物體的路徑就顯得彎曲,這就給人以有

外力作用於它們之上的印象。

當引力不存在時,愛因斯坦的廣義相對論就複製狹義相對論,

並且在我們太陽系這樣的弱引力環境中,它也能做出與牛頓引力

理論幾乎相同的預測——但不完全等同。事實上,如果在?GPS?衛

星導航系統中不考慮廣義相對論,那麼全球位置的誤差就會按每

天大約?10?千米的速率累積!不過,廣義相對論的真正重要性並不

體現在把它運用於引導你去餐館的那些設備上,而在於它是宇宙

的一個非常不同的模型,它預測了諸如引力波和黑洞這樣的新效

應。此外,廣義相對論還把物理轉換成了幾何。現代技術足夠靈

敏,允許我們進行驗證廣義相對論的大量精密實驗,而廣義相對

論通過了這所有的檢驗。

【曹夢迪的回答(1票)】:

不懂物理的人來說兩句:

狹義相對論討論勻速運動,認為時間、空間、質量都是相對的(和速度有關),對不同的觀察者(參照系),時空的測量結果都不同——速度快的人尺子會變短,質量會變大,時間會變慢。

廣義相對論討論引力作用,引力作用下空間會跟著發生彎曲,本來平坦如一張緊張的橡皮膜的空間,在引力作用下會變成好像被人在中間拽了一把的樣子,空間發生了改變,運動也就會跟著改變。

因為不懂物理就只能說這麼多了,如果你只追求簡單的比喻,估計說這兩句也夠了……

【張育亮的回答(1票)】:

狹義相對論講的是關於時間和空間的東東:

  1. 在說相對論講的是啥內容之前先講講兩種時空觀:
  • 形而上學時空觀:空間是一個三維坐標,每個物體可以通過一個坐標定位。時間是一個一維坐標,所有的物質都用同樣的時間,每個物質的時間都是相同的,只可以向前,不能倒退。
  • 辯證法時空觀:時間和空間的本質和運動相關,沒有運動就沒有時間,沒有運動就沒有空間。每個運動的物體都有自己的時間和空間,不同的物質的時間空間不同,同一物質的時間空間也會隨著運動來變化
  • 哪個時空觀正確呢,答案是辯證法的時空觀。瞭解形而上學和辯證法定義的筒子應該知道辯證法明顯完勝形而上學了。 舉個簡單的例子來證明下:
    • 現實生活中地球繞太陽一周是一年,地球自轉一周是一天,這個證明了時間是和運動相關的,不同的運動對應不同的時間。月亮繞地球轉也有自己的時間,前面說的是陽曆,這個應該算是陰曆了,這個證明了不同的物體運動的時間不相同的。
    • 這樣兩個不同的運動時間之間關係是如何的呢?大家知道一年不是完整等於365天,還要根據閏月啥機制來處理偏差的。這個實例明顯批判了形而上學時空觀說所有的物質都是相同的時間的。
  • 接著講狹義相對論的時間延緩效應公式(見下圖),這個公式講的是啥內容呢? 看有兩個時間變量,一個速度變量還有一個是傳說中的光速。這個公式講的是運動變化對他自身的時間的影響,運動用變量V來描述,這個公式可以看到運動速度越接近光速兩個時間變化越大。 至於為啥要選光速來作為參數,以及選擇是否準確就是另外一碼事情了,畢竟沒有一個公式或者模型能概括所有普遍真理,都有自己的適用範圍,光速變不變不影響我們理解狹義相對論講啥內容是吧。 呵呵先講時間,大家投票多的話我再講狹義相對論之空間和廣義相對論的東東~~
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    【陳燕 jane的回答(1票)】:

    太複雜了,能有簡單的例子嗎?

    【韓冬的回答(0票)】:

    如果嫌大家的比喻複雜,可以參見鄙人的比喻:為了讓光速什麼時候都保持不變,狹義相對論讓屌絲和高帥富對時間和空間產生了不同的看法:

    開始時如上圖,一束光從下面的面板出發,這束光對準腳印b

    結束時如下圖,光到達高帥富的茶杯下部。在高帥富和屌絲眼中,光走過的路程是不一樣長的。狹義相對論為了保證光速不變,讓兩個階級對時間的快慢的看法有了分歧。

    還有一個例子是讓高帥富和屌絲眼中的茶杯的長度不同的。這裡就不舉了。

    廣義相對論就不好舉例子了。

    【周雨楓的回答(1票)】:

    狹義相對論討論了時間的相對性。廣義相對論討論了場的相對性。?

    做個簡單的比喻,以地球為參照系,如果你靜止不動,你看到的光的速度(簡單假設空氣介質均勻)和你跑步的時候看到的光速是否一樣?愛因斯坦認為,光速是絕對的,於是導致了在上述兩個情況下,光達到你眼睛所用的時間有不同(假設你到光源的絕對距離沒有變),於是時間就和速度一樣,成為了一個不同參照系裡面的相對量。

    而後愛因斯坦同學又想到了一個case,光從太陽發射到地球需要7分鐘(未必記得準確),而假如在某一瞬間,太陽坍塌湮滅了,那麼,按照引力場理論,地球應該瞬間沿切線方向飛出太陽系了。可是你如果從地球上來看,坍塌前的光還沒有到達地球,那麼地球上的用戶能看到太陽並同時感受到坍塌嗎?這個就引發了場的相對性。廣義相對論非常複雜,我本人也沒有太深的涉獵,需要很好的非歐幾何的背景。 ?

    總之,在光速不可超越的前提下,一切皆是relative...

    標籤:-陳浩 -物理學 -理論物理 -時見疏星 -拉瑪西亞IT版


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