《相對論中的神奇時空》講義

《相對論中的神奇時空》講義同學(xué)們，咱們現(xiàn)在開始學(xué)習(xí)高中魯科版（2019）必修第二冊第5章第2節(jié)的內(nèi)容，那就是超級有趣的相對論中的神奇時空。一、什么是相對論呢？1、相對論的誕生背景在很久很久以前啊，科學(xué)家們覺得這個世界的物理規(guī)律就像咱們家里擺放得整整齊齊的家具一樣，穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)，沒啥變化?？墒悄?，隨著科學(xué)不斷發(fā)展，就像咱們探索一個神秘的大森林一樣，一些新的現(xiàn)象出現(xiàn)了，以前那些穩(wěn)穩(wěn)當(dāng)當(dāng)?shù)奈锢硪?guī)律解釋不了了。比如說，當(dāng)物體運動速度特別快的時候，一些奇怪的事情就發(fā)生了。這就好比你平時騎自行車，慢悠悠的時候啥感覺都很正常，可一旦騎得飛快，就好像進入了一個不一樣的世界一樣。這時候啊，愛因斯坦這個超級聰明的家伙就出現(xiàn)了。他就像一個勇敢的探險家，敢于挑戰(zhàn)以前的觀念。他發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體接近光速的時候，很多我們平時覺得理所當(dāng)然的事情就變了。這就是相對論誕生的大背景。2、狹義相對論的基本假設(shè)狹義相對論有兩個超級重要的基本假設(shè)，就像兩座堅固的橋墩一樣支撐著整個狹義相對論的大廈。第一個假設(shè)是相對性原理。這是什么意思呢？就好比你在一輛平穩(wěn)行駛的火車上，如果你不看窗外，只在車廂里做各種物理實驗，比如讓小球滾動啊，或者測量彈簧的伸縮啊，你得到的結(jié)果和你在靜止的地面上做這些實驗得到的結(jié)果是一樣的。也就是說，物理規(guī)律在所有的慣性參考系中都是相同的。這就像不管你是在自己家的客廳里（相當(dāng)于靜止的地面），還是在一輛勻速行駛的汽車?yán)铮ㄏ喈?dāng)于運動的參考系），你玩彈珠的規(guī)則都是一樣的。第二個假設(shè)是光速不變原理。這個可就有點神奇了。想象一下，你站在路邊，打開一個手電筒，光就以一定的速度射出去了。然后呢，有一輛超級快的汽車，以接近光速的速度朝著光射出去的方向開過去。按照咱們平常的想法，在汽車上看這個光，光的速度應(yīng)該變慢了，因為汽車也在朝著光的方向跑啊?？墒悄兀瑦垡蛩固拐f不是這樣的，不管你是站在路邊看，還是在那輛超快的汽車上看，光的速度都是一樣的。這就好比不管你是靜止站著看一個跑步的人，還是你自己也在跑著看這個跑步的人，他的速度在你眼里都是固定不變的，這多奇怪啊。我給你們講個我自己的觀察經(jīng)歷吧。我有一次去看賽車比賽，那些賽車跑得可快了。我就在想，如果賽車的速度再快很多很多，接近光速的話，那按照相對論，會發(fā)生什么有趣的事情呢？這就引出了狹義相對論里面很多神奇的結(jié)論。二、狹義相對論中的神奇時空1、時間延緩效應(yīng)狹義相對論說啊，當(dāng)一個物體運動起來的時候，它的時間就會變慢。這聽起來是不是像天方夜譚？咱們來詳細(xì)說說。假設(shè)咱們有兩個雙胞胎兄弟，一個叫小快，一個叫小慢。小快呢，坐上了一艘超級快的宇宙飛船，去太空旅行了，而小慢就留在地球上。按照相對論的時間延緩效應(yīng)，小快在飛船上的時間過得就比小慢在地球上的時間慢。比如說，小快在飛船上感覺過了一年，等他回到地球的時候，可能小慢已經(jīng)過了好幾年了。這是為什么呢？咱們可以這樣理解。想象一下，時間就像一條河流，當(dāng)你靜止的時候，你就隨著時間河流正常流淌。但是當(dāng)你運動起來，特別是接近光速的時候，就好像你在逆著時間河流劃船，你劃得越快，時間對你來說就過得越慢。就像我之前看的一個科幻電影，里面的宇航員去了一趟遙遠(yuǎn)的星系，回來的時候發(fā)現(xiàn)地球上已經(jīng)過了好幾百年，他認(rèn)識的人都不在了，那種感覺既孤獨又神奇。這就是時間延緩效應(yīng)在電影里的體現(xiàn)。2、長度收縮效應(yīng)除了時間會變，長度也會變呢。當(dāng)一個物體相對于觀察者高速運動的時候，在觀察者看來，這個物體的長度會變短。比如說，有一根很長很長的桿子，靜止的時候有10米長?，F(xiàn)在讓這根桿子以接近光速的速度從你面前飛過。在你眼里，這根桿子可能就只有5米長了。這就好比你看一個遠(yuǎn)處的東西，本來很大，但是離你遠(yuǎn)了，看起來就變小了。不過這里的長度收縮可不是因為距離遠(yuǎn)了的視覺錯覺，而是實實在在的物理現(xiàn)象。我有一次在坐高鐵的時候就想，如果高鐵的速度能夠接近光速，那我看窗外的電線桿會不會變得很短很短呢？當(dāng)然，高鐵的速度離光速還差得遠(yuǎn)呢，這只是我的一個有趣的想法。3、同時的相對性在我們平常的生活中，我們覺得同時發(fā)生的事情就是同時發(fā)生的，沒什么疑問。但是在相對論里，可就不一樣了。比如說，有一列很長很長的火車在鐵軌上快速行駛。在火車中間的位置，同時向車頭和車尾發(fā)出兩道光。對于火車上的人來說，這兩道光是同時到達車頭和車尾的。但是對于站在鐵軌旁邊的人來說，由于火車在運動，他會看到光先到達車尾，然后才到達車頭。這就說明，同時這個概念也是相對的，取決于觀察者所在的參考系。這就像在學(xué)校操場上，同學(xué)們排隊做課間操。如果大家都靜止不動，老師說同時舉手，那大家都會覺得是同時舉手的。但是如果這時候隊伍在快速移動，從操場旁邊路過的人看，可能就會覺得不同排的同學(xué)舉手不是同時的了。三、廣義相對論中的時空1、廣義相對論的基本原理廣義相對論比狹義相對論更厲害，它把引力也考慮進去了。廣義相對論有一個等效原理，這個原理說，一個加速系統(tǒng)等效于一個引力場。比如說，你在一個封閉的電梯里，如果電梯以一定的加速度向上運動，你在電梯里會感覺到自己變重了，就像有一個引力在拉你一樣。而在一個有引力的星球表面，比如地球表面，你也會感覺到重力。所以從效果上來說，加速運動和引力是等效的。還有一個是廣義相對性原理，它說物理規(guī)律在所有的參考系中都是相同的，不管這個參考系是加速的還是勻速的。這就像不管你是在一個旋轉(zhuǎn)的摩天輪上（加速參考系），還是在平地上（勻速參考系），物理規(guī)律都是適用的。2、時空彎曲廣義相對論里面最神奇的概念可能就是時空彎曲了。愛因斯坦說啊，有質(zhì)量的物體就會使周圍的時空彎曲。就像你在一張繃緊的床單上放一個大球，床單就會凹陷下去一樣。這個大球就好比是有質(zhì)量的星球，而床單就是時空。如果有一個小物體在這個彎曲的時空附近運動，它就會沿著彎曲的時空軌跡運動。比如說，地球繞著太陽轉(zhuǎn)，就是因為太陽的質(zhì)量使周圍的時空彎曲了，地球只能沿著這個彎曲的時空做圓周運動。這就好比你在一個有很多坑洼的地面上走路，你只能沿著坑洼的形狀走一樣。我曾經(jīng)看過一個關(guān)于天文觀測的紀(jì)錄片，里面說科學(xué)家們通過觀測光線在經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時的彎曲現(xiàn)象，證實了時空彎曲的存在。這就像你在一個彎曲的管道里看光線，光線會沿著管道的彎曲形狀傳播一樣。3、引力紅移廣義相對論還有一個有趣的現(xiàn)象叫引力紅移。簡單來說，就是光在從引力場強的地方傳播到引力場弱的地方時，光的頻率會降低，波長會變長，顏色會向紅色方向移動，所以叫引力紅移。比如說，從太陽表面發(fā)出的光，到達地球的時候，由于太陽的引力場比較強，光在傳播過程中就會發(fā)生引力紅移現(xiàn)象。這就好比一個聲音在從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)的時候，聲音的頻率和音調(diào)會發(fā)生變化一樣。四、相對論的驗證1、狹義相對論的驗證狹義相對論提出了這么多神奇的結(jié)論，那怎么知道它是對的呢？科學(xué)家們可是做了很多實驗來驗證的。比如說，μ子衰變實驗。μ子是一種基本粒子，它的壽命很短，在靜止的時候，它只能存在很短的時間就會衰變。但是當(dāng)μ子以接近光速的速度運動的時候，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)它的壽命變長了，這就很好地驗證了狹義相對論中的時間延緩效應(yīng)。還有高速運動粒子的質(zhì)量增加現(xiàn)象也驗證了狹義相對論。當(dāng)粒子的運動速度接近光速時，它的質(zhì)量會變得比靜止時大很多，這也是狹義相對論的一個重要結(jié)論。2、廣義相對論的驗證廣義相對論的驗證也有很多例子。前面提到的光線在經(jīng)過大質(zhì)量天體附近時的彎曲現(xiàn)象，就是廣義相對論的一個重要驗證。還有水星近日點的進動現(xiàn)象。水星是離太陽最近的行星，按照牛頓的萬有引力定律，水星的軌道應(yīng)該是一個固定的橢圓。但是實際觀測發(fā)現(xiàn)，水星的近日點會有一個很小的進動，這個進動用牛頓力學(xué)解釋不了，但是用廣義相對論就能很好地解釋。另外，引力波的發(fā)現(xiàn)也是廣義相對論的一個偉大驗證。引力波就像時空的漣漪一樣，是由有質(zhì)量的天體的劇烈運動產(chǎn)生的?？茖W(xué)家們通過超級精密的儀器探測到了引力波，這就像聽到了宇宙深處傳來的微弱聲音一樣，證明了廣義相對論的正確性。五、相對論對現(xiàn)代科學(xué)和生活的影響1、在科學(xué)研究中的影響相對論對現(xiàn)代科學(xué)的影響那可真是太大了。在天文學(xué)領(lǐng)域，它讓我們能夠更好地理解宇宙的結(jié)構(gòu)和演化。比如說，我們通過廣義相對論可以研究黑洞的形成和性質(zhì)。黑洞是一種引力非常強大的天體，連光都跑不出去。如果沒有廣義相對論，我們很難想象這種神秘天體的存在和特性。在微觀物理學(xué)領(lǐng)域，相對論和量子力學(xué)一起，成為現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。它們相互補充，讓我們對微觀世界的認(rèn)識更加深刻。比如說，在研究高速運動的微觀粒子時，相對論效應(yīng)就必須考慮進去。2、在技術(shù)和生活中的影響相對論在我們的生活中也有很多應(yīng)用呢。比如說，全球定位系統(tǒng)（GPS）就用到了相對論。GPS衛(wèi)星在太空中高速運動，同時受到地球引力場的影響。根據(jù)相對論的時間延緩效應(yīng)和引力紅移效應(yīng)，衛(wèi)星上的時鐘和地面上的時鐘走的速度是不一樣的。如果不考慮相對論的影響，GPS系統(tǒng)的定位就會