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[案例] 我们对相对论又有哪些常见的曲解呢?

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人与海的评分为95--时间:2297-05-16 17:18:18,303067704的评分为76--时间:2165-06-16 10:11:18.b7823282的评分为12--时间:2309-02-26 17:59:18!脸或的评分为34--时间:2610-01-03 12:28:28。jmctian的评分为67--时间:2478-05-02 15:31:18!lhf的评分为47--时间:2107-08-25 12:59:48!

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相对论发表一百多年了,对于它的曲解却始终没有厘清,比如说以下这些:

1.超光速时间会倒流。
2.相对论给物质运动速度设定了个极限,就是光速c。
3.空间弯曲就像放在平面上的球体,把平面压凹了,所以物质经过天体旁做曲线运动,这就是引力效应。
4.光在引力场中会沿曲线传播。
5.相对论就是说一切都是相对的。
6.相对论说存在平行宇宙。
7.相对论假设光速不变,而液体或介质里光速会小一些,所以光速不变假设是错的。
8.相对论虽然看似高端,但离实际生活较远,缺少实验验证,这个理论只是理论,没什么用。

先总结这几个,一一简单说下:
1.相对论从不涉及时间倒流的任何概念。这是许多科幻小说和电影为吸引眼球给相对论强加的概念。相对论的确推导出了同时的相对性,动钟变慢效应,引力场中各点固有时流逝速度不同等等,但从没有说时间可以倒流,我们可以回到过去这种违背因果律的事。相对论提出的物理理论是严格遵守因果律的,这个理论提供的关于时间旅行的意义在于,我们可以通过高速运动或置于特定引力场(如黑洞事件视界外附近)向未来快速旅行,比如我们乘坐接近光速的飞船远离地球再返回地球,飞船上的人测定的时间为一年,地球上可能已经几万年过去了(这个时间差由飞船的运动学过程决定,如速度,加速度),但飞船上的人无法回到几万年前。相对论中任何物理现象必然遵循因果律,这也是经典物理学最基本的要求(非经典的如量子力学,不太懂,这里不做评论)。
2.不是相对论设定了这个极限,任何物质运动速度只能无限接近光速,不可达到或超越,这是狭义相对论的一个导出结论,并不是相对论先验给出的假设,而是由狭义相对论基本公设(光速不变原理,狭义相对性原理)从数学上导出的一个结论。因为公式中某些参数是带取值范围的,否则公式就没有物理意义,比如根号下为负数,分母为0这样。这个光速极限的结论,与迄今为止的观测都相符,并且理论上也自洽。比如狭义相对论推导了另一个结论,物体的运动质量大于静止质量,且随速度增加质量增大,因此推动一个物体加速,随质量的增大,提供恒定加速度需要更大的推力,达到光速从公式上计算则需要无穷大的推力,此时质量也是无穷大的。

        3.时空弯曲是广义相对论的核心内容。首先不只是空间弯曲,我们生活的宇宙是一种四维弯曲时空。这里说四维,可能大家很费解,但我们生活的宇宙就是四维时空(注意是时空,不是空间),因为任何运动都是一条四维的轨迹,由空间坐标三个分量xyz和时间坐标分量t构成。广义相对论这样解释引力效应,自由粒子在弯曲四维时空中沿测地线(一条四维的轨迹)运动,这个测地线从几何角度也是弯曲时空中最短的线群的一条。当投影到三维空间(投影就是把测地线方程写成空间坐标与时间坐标关系),那么就是引力效应,比如苹果加速下落,地球围着太阳转等。把时空弯曲比喻成一个东西把平面压凹是十分不恰当的,因为时空弯曲是无法用图像表达的,只能用数学描述。无法表达,是因为我们本身就是四维生物,我们目前观测的所有物质都是四维的,我们的观测仪器也只是输出四维的结果。如果要真看什么是四维弯曲,我们必须在五维或更高维的尺度,比如假设有一种二维宇宙,是一个球面,我们看来是很形象的,因为就一瞬间而言,我们的视觉感知是三维的,但这个球面宇宙的生物,很难想象他们生活在一个弯曲二维面上,不过虽然他们无法从图像上表达他们这样的宇宙,但他们可以数学上描述,也就是说,


      在他们科技文明不发达时,他们活动范围小,球面上很小的局部是近似平面,他们以为他们的宇宙是平直的,理所当然他们建立欧几里得几何学来描述他们的宇宙认为是最恰当的,但他们科技发展,活动范围越来越大,他们会发现他们宇宙的性质不符合欧几里得几何学,凡有点几何知识的人都知道,在球面上做一个三角形,内角和必然不等于180度,球面上有一点出发向不同方向画的两直线,也是可以相交的,比如从赤道任何一点出发,过北极后,两直线端点会越来越近,最终相交,这样这些二维生物发现,在大尺度上,他们的宇宙不是平直的。这和我们很类似,只不过我们还多了两维,是一种四维的弯曲。这里不进一步说了,因为这个东西的确需要较高的想象力,黎曼几何中有个参量叫度规,顾名思义就是度量规则,这个量(是个二阶张量,4×4的矩阵)决定了时空的形态,欧几里得几何只是一种特例,就是度规张量取平直时的情况。我们的四维宇宙,在局部是近似平直的,只是这个局部,对我们目前的科技来讲,还是相当大了,比如整个太阳系来计算,也是近似平直的,所以广义相对论效应并不明显。但为什么这个近似平直时空的太阳系,星球还做圆周运动,原因是虽然这是个渐进平直时空,但测地线方程中有个参数,即使很微小的时空弯曲就会导出在三维看来很不同的测地线。这里不多说了,最后广义相对论是怎么画下句号的,就是爱因斯坦引力场方程,该方程描述了物质能动量与度规的关系,也可以说,物质存在和运动形态,联系了时空如何弯曲,进一步就决定了测地线,也就是物质该如何运动,所以广义相对论研究的是物理学的基础,就是物质之前如何相互作用,因此牛顿与爱因斯坦,是物理学在过去和现在的两个奠基人,其他物理学许多是研究这两大基础上的某些分支。(现在物理学两大基础是相对论和量子力学)。



      4.结合第3点,光没有沿曲线传播,是时空发生了弯曲。我们说光沿什么样的线,必须对线下定义。弯曲时空中,光沿测地线传播,这就是非平直度规下的直线。广义相对论是狭义相对论基础上推导的,是一般与特殊的关系,就是说狭义相对论是广相的极限情况(一般参考系与惯性参考系的关系,狭义相对论的一切结论,只涉及惯性系的变换,广义相对论涉及全部一般参考系,无论是惯性还是非惯性的,所以叫广义)。而狭义相对论从光速不变原理出发的,广义相对论当然也满足。


        5.首先相对论是物理学,不是哲学,他研究的是物质的运动学,不是哲学上说的相对,不是一个概念。相对论之所以叫相对论,是因为相对论的核心,是相对性原理。狭义相对论的核心是狭义相对性原理,广义相对论核心是广义相对性原理。狭义相对性原理可表述为,一切物理学定律,在不同的惯性系考察是等效的。这话怎么理解,就是说物理学规律,不会因惯性系选取不同而有差异。换句话,在匀速运动的车厢,做任何物理学实验,有输入,过程和输出,在地面上考察,可能输入,过程,输出的某些物理量变了,比如速度,一般不会相同,因为要叠加车的速度,但这个关系仍然维持。就是说,如果一个关系a+b=c,是物理学定律,那么换个惯性系测量,虽然物理量可能变了,比如变成a',b',c',那么也有a'+b'=c',这个关系还是维持的,数学上,叫协变。因此,狭义相对性原理,也可表述为,凡是构成物理学定律的方程,在惯性系坐标变换下是协变的。狭义相对论还推导了惯性系之前物理学定律方程的变换关系,就是洛伦兹变换,不多说了,简单讲,这变换既满足狭义相对性原理,又满足光速不变原理。这和牛顿采用的伽利略变换是不同的,伽利略变换满足相对性原理却不能满足光速不变原理。由洛伦兹变换,就能发展一套非常不同于牛顿的物理学,比如能导出运动的时钟变慢,运动的量杆缩短等,这就是狭义相对论。而广义相对性原理,就是把惯性系的变换规律,推导到一般参考系,不多说了,一般参考系的变换,是高斯坐标变换,洛伦兹变换只是高斯坐标变换在度规张量取平直时(就是时空是平直时)的特例。
      

      6.关于平行宇宙假说的起源,我不太确定,但应该和量子力学有关。因为量子力学的核心,就是不确定性原理。而爱因斯坦是个决定论者,他反对物质状态的不确定性,他认为一切物体运动,可用确定的方程描述,而不是概率方程。相对论得出的理论看着再夸张,但始终是确定的方程。因此相对论和牛顿力学及之前的物理学,统称经典物理学,量子力学,超弦理论这些,称为非经典物理学。他们的根本分歧,在于对物质基本组成和时空结构的根本分歧,相对论,牛顿理论,都认为物质是由粒子组成,时空也是运动的,就是说不存在瞬间转移,但量子力学,认为物质是量子波动效应的结果。不过现代,相对论和量子力学,并称物理学两大支柱,原因是这两者在实验上都取得了最高的精度,量子力学描述微观粒子相互作用很优越,广义相对论得到了迄今为止所有天文观测的高精度验证。但这两个支柱的出发点完全不同,因此现在物理学发展的目标,就是发展统一物理学,谁能提出相对性量子力学,谁就是既牛顿,爱因斯坦后的第三个奠基人。


        7.光速不变原理是说,光速与参考系的选取无关,就是说在一个参考系测出的光速是c,在另一个也是。不是说光速在同一个参考系,不同环境下也不变。光速不变原理听起来很奇怪,为什么不像其他粒子,遵循牛顿速度叠加原理。首先,物理学是实验和经验科学,任何理论物理,都是基于一些无法数学上证明的基本公设的,这些公设不是乱提出的,而是通过大量观测和实验。电磁物理学发展后,无疑证明了麦克斯韦方程组的正确性,而麦克斯韦方程组导出光速不变原理,是最自然的结果,但就是这个最自然的结果,导致了物理学家的极大困惑,因为这个结果显然和牛顿速度叠加公式不符,或者进一步不符合相对性原理。物理学家为了验证光速是否与参考系无关,做了许多实验与观测,最著名的摸过莫雷-迈克尔逊干涉实验,通过在地球表面平行和垂直两束光的光行差,验证光速是否与地球运动有关,这个实验今天还在做,在非常高的精度下,也没有显示干涉条纹的移动,至少证明光速和地球运动无关。注意很多人说光速是个很大的量,这个无关可能是测量误差弥补的,但这个实验设计的系统,能保证结果差异可观测,不会是因为误差导致的。当初物理学家没人关系牛顿的正确性,提出了以太漂移假说解释这个实验,但后来遇到了许多无法克服的矛盾。最终爱因斯坦发现了本质,速度叠加原理的重大前提,就是必须先承认时空的绝对性,就是说时间流逝速度和空间尺度,与惯性系选取无关,才能导出牛顿速度叠加公式。在牛顿那个时代,那样的科技条件下,绝对时空观是非常符合日常经验的,并且牛顿理论也取得了很高的应用成就。但随着研究微观粒子和电磁学的发展,牛顿理论遇到了很多困难。实质上,如果放弃绝对时空观,放弃牛顿速度叠加原理,光速不变原理和狭义相对性原理的表面矛盾就消失了,而从最自然也是最必然的角度,只会导出一个理论,就是狭义相对论。
      

           8.首先说应用,无处不在。我们天天手机用的GPS定位系统,就用到了广义相对论修正。由于GPS要求如此高的定位精度,在轨道上的卫星采用原子钟。根据广义相对论,两个完全同步的时钟,一个放地面,一个放轨道上,轨道上的时钟会走的快一些,虽然这个快一些是一个很小的量,但对GPS输出的定位结果来讲,已不可忽略。从计算角度,如果不考虑这项修正,定位误差约17公里左右。另外,迄今所有天文观测,得到了广义相对论的高精度验证,特别是在研究强引力场的物理学效应,比如大质量天体周围物质运动,牛顿引力论和观测结果相去甚远。离我们最近的,就是水星近日点进动问题,牛顿在他那个时代,就发现用他的公式计算,与观测存在每世纪43秒偏差,这个偏差已经不能说是观测误差来解释了。广义相对论场方程提出后,发现这个偏差只是该方程向牛顿方程近似的二阶无穷小量,换句话说,牛顿万有引力论只是广义相对论一阶近似的结果,就是弱场,线性近似的结果。还有许多现象,如引力红移,u子衰变周期问题等等,都证明了相对论的正确性。当然,相对论也是需要发展的,也不是完全适用的,最著名的就是黑洞奇点问题,场方程可导出一种球对称度规,当天体密度达到一定程度后,其周围会存在一个事件视界,光子都无法逃逸,任何粒子的测地线,都向奇点方向,然后终结。场方程无法解释奇点,因为该点处方程中某些分母为0,从动力学角度,该点密度无穷大,而物质穿过视界,就必须向奇点下落,最后又消失,那物质去哪里了,显然违背能量质量守恒定律。量子力学同样无法解释奇点问题,而黑洞运动学热力学之所以成为研究热点,就在于他的性状可能和由目前理论推导的宇宙起源性状十分相似(极大史瓦西时空),因此研究黑洞也可能就是促进了对宇宙演化的研究,而奇点问题,可能就是解开量子力学和相对论统一的钥匙。正是奇点问题无法解,许多拍科幻片的导演可以充分编造,比如星际穿越,把奇点描绘成五维空间。


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前排围观,觉得十分深奥,不明觉厉,带上@未开始T已结束
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其实严格来说,光速不变原理和光速是速度的极限这是等价的。因为可以证明,自然界中天然存在一个极限速度,两个惯性系的变换天然是洛仑兹变换,这里并不涉及光速,只是一个关于时空坐标变换的基本的数学推导,速度极限是在这个推导过程中自然出现的。
数学推导告诉你“自然界存在一个速度极限,这个速度极限相对任何惯性系都不变”,但是并没有告诉这个极限速度的大小,其实也不可能告诉大小。而“光速不变原理”就是说“这个速度极限等于光速”,它就是告诉了人们极限速度的具体数值。
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发表于 2016-1-22 16:04:28 | 显示全部楼层
http://tieba.baidu.com/p/3054042155?share=9105&fr=share
关于1,这是之前吧里大神对超光速时间倒流的讨论,确实可以看到倒时序的现象,然而这两事件不能有先后。
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楼主我能否复制下发给其他论坛  我也是看不惯有些人,自己又 写不这么好
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