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  • 1 # 使用者2678782619449

    所謂相對論,就是關於相對性原理的理論,但相對性原理並不是愛因斯坦首創,比如之前就有伽利略相對性原理,但是過去物理理論,比如牛頓力學,對相對性思想的貫徹不徹底

    為什麼呢?因為牛頓物理中的相對性原理,只能說對相互勻速運動的觀測者有效,比如變速運動的汽車、旋轉圓盤,其中的觀測者感受慣性力,牛頓沒法解釋,因此假設有一種“力”的存在,有力就要有施力物體,這個施力物體,就是一個絕對靜止的東西

    因此,牛頓力學的缺陷就出來了,上述說明對於非慣性系物理定律的描述,和相對性思想是衝突的

    而相對論,就是要把相對性思想貫徹徹底的理論,而相對性原理有一種表述方式,就是物理定律與參考系的選取無關,或者說描述物理定律的方程,與參考系選取無關

    什麼意思呢?比如有一條物理定律,是A+B=C,換一個參考系,三個物理量可能變了,變成了A"、B"、C",但仍然有關係A"+B"=C",這就叫物理定律與參考系選取無關

    所以,狹義相對論,就是關於狹義相對性原理的理論,或者說構建的物理學定律,滿足狹義相對性原理的理論

    但狹義在哪裡呢?因為狹義相對論,只研究了慣性參考系的物理學定律,只是研究出了一系列方程,包括尺縮效應、鐘慢效應、麥克斯韋方程組的狹義相對論形式等,這些方程形式在慣性參考系變換下是不變的

    但是大家都知道,真正絕對的慣性系在現實中是不存在的,這只是一種理想狀況,就算你在遠離星球的太空中,自由粒子已經非常非常接近勻速直線運動,但依然有很弱很弱的引力效應影響

    而我們日常生活的地球表面,隨便一個蘋果都在加速下落,顯然不是慣性系

    因此,必須把狹義相對論進行推廣,把慣性系中物理學定律不變這個原則,推廣到任意參考系中物理學定律不變,後者叫廣義相對論

    整個相對論,就是廣義相對論。

    因為狹義,就是特殊的、極限狀態的、理想化的

    而廣義,是任意的,一般的,普適於任何參考系的

    但推廣廣義相對論是很難的,為什麼呢?如果你讀過廣義相對論,就知道,要把物理學定律從慣性系推廣到任意參考系,連最基本的時空度量都出現了困難,不僅時間可能不均勻,空間都可能不均勻,而且可能是動態的,甚至同時性的確定都不是唯一的

    怎麼辦?當然就要動腦筋。

    由於選取任意參考系,其實就是選擇一種與觀測者(參照物)共動的座標系,而基於上述一段話的原因,該座標系的空間、時間座標的度量意義是不確定,有待推導的,比如,空間座標之差等於5不一定代表5米,時間座標之差等於1也不一定代表1秒,但這些差和觀測者度量的長度、時間肯定是有關係的

    所以,愛因斯坦更大膽,既然座標的物理意義有待明確,索性把廣義相對性原理再提升一個等級,叫廣義協變原理,不僅是選取任意參考系,就算選取任意座標系,物理定律也是不變的。比如,我描述一個物理過程,可以採用歐幾里得座標,也可以採用極座標,不管我採用哪種座標,物理定律都不變。

    為什麼可以提升這個等級?因為任意參考系本身就是任意座標系的一部分。

    這說明,廣義相對論是比推廣的狹義相對論更廣泛的相對論。

    樓主理解這句話的意思嗎?

    相對論,即廣義相對論,就是關於,或把相對性原理貫徹到底的理論

    在把狹義相對論進行推廣過程中,就發現許多問題迎刃而解了。比如,為什麼非慣性系中,時空度量成問題,該如何度量,時間節奏、空間尺度怎麼決定?其實就是座標系對應的度規,不細說了,如果樓主讀過廣義相對論,就知道我在說什麼

    透過座標變換可以匯出任意座標系的度規,就解決了任意座標系的時空度量問題,以及如何去建立物理學定律

    但依然有一個問題,我們剛才說,透過座標變換能求出度規,但度規的初值怎麼確定?就是我至少要知道一種座標系的度規才行?這個度規由誰決定呢?

    好了,這個問題其實就是引力問題。因為愛因斯坦相信,引力場與非慣性系在區域性等效(等效原理),比如一個觀測者,處於勻加速運動汽車中觀測到的一切現象,和處於一個具備同樣反向加速度的勻強引力場等效,也就說這個觀測者既可以認為他看到的自由粒子在變速運動的原因,是加速產生的慣性力,也可以認為是引力

    所以,既然慣性力效應本質是時空度規,那麼引力效應本質,也是時空度規

    而現實告訴我們,引力顯然和星球的本身屬性(如質量)有關

    所以,最後愛因斯坦推匯出一個方程——愛因斯坦場方程,選取一種座標系時,時空度規由物質的能動張量決定。

    給定了能動張量(這是星球本身屬性),就可以算出時空形態,即確定某種座標系的度規

    確定了時空形態,就可以確定自由粒子如何運動,在任意形態的彎曲時空是做短程線(也就是距離最短的線,平直時空中就是直線)運動。比如你看到蘋果加速下落,月亮繞地球轉,表面似乎存在引力,實際只是在地球產生的彎曲時空做短程線運動

    這樣引力問題也就解決了。

    與廣義協變原理的要求一樣,無論愛因斯坦場方程,還是自由粒子的短程線運動方程,其方程形式滿足廣義協變原理,在座標變換下不變

    這樣,整個相對論(廣義相對論)的框架就完成了

    剩下就是在這個框架下,各行物理學家自由發揮,研究滿足該框架的動力學、熱力學、電磁學,甚至宇宙學。。。。。

    比如你聽到的黑洞問題、宇宙是什麼結構問題、引力波、白洞等,這就是各行物理學家,在這個框架下自由發揮的結果

    所以,相對論,是一個物理學框架級別的理論,因此,愛因斯坦比普通物理學家高一個等級,如同牛頓,叫物理學奠基人

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