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科学进步无止境
第5章
第二节 相对论中的神奇时空
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PART first
相对论的两个基本原理
相对性原理： 所有物理规律在一切惯性参考系中都具有相同的形式。
在某个惯性系中描述某个物理系统的某个物理过程的物理定律，在其他一切惯性系中对该系统该过程作出描述的物理定律皆保持形式不变。
相对性原理
光速不变原理：在一切惯性参考系中，测量到的真空中的光速都一样。
光速不变原理
在一切惯性系中观测真空中传播的光，其传播速度均为 c，与光源或观察者的运动无关。
狭义相对论中的新时空观变革了传统的空间、时间、质量、能量等基本概念，揭示了时空统一性和物质、运动的统一性。
狭义相对论效应
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PART second
时间延缓
在一列以速度 v 做匀速直线运动的火车中，做一个物理实验的时间是 15 min，站台上的观察者测得该实验花费的时间会更长 。
若乘客测得的时间为τ0，站台上的观察者测得的时间为τ，则：
τ > τ0。这种时间观测效应被称为时间延缓
时间延缓
时间延缓效应
“时钟变慢”
一个物理过程经历的时间，在不同的参考系中测量不一定相同。与之相对静止的参考系测得的时间最短，称为固有时（ ） ；与之有相对运动的参考系测得的时间变长。相对速度越大，时间延缓效应越明显。
解释
验证时间延缓效应存在的实验
由宇宙射线在大气层上方产生的μ子是一种不稳定的粒子，它会自发衰变。据测试，μ子的平均寿命为 2.15×10-6 s。从测试中得知，在距地球表面 6 000 m 的大气层中，μ子的速度 v = 0.998 c，实验室观测到的高速运动的μ子平均寿命为3.40×10-5 s。这是证实运动时间延缓效应的实验之一。
时间延缓
长度缩短效应
空间与运动密切相关。
沿长度方向相对运动的观测者测量得尺子的长度为l，则
静止长度l0 ：
一把刻度尺，相对它静止的观测者测量其长度。
又称固有长度。
l长度缩短效应
被测物体相对观测者的速度越大，长度收缩效应越明显。我们平常观察不到长度收缩效应，是因为我们生活在比光速低很多的低速世界中，v << c， l ≈ l0，长度收缩效应可忽略不计。
质能关系
质量和能量是物质不可分离的属性。
著名的质能关系式：
m 是质量， c 是真空中光速， E 是能量。
Δm 物体质量的变化量，ΔE 能量的变化量
质能关系
1938 年，德国物理学家哈恩的重核裂变反应使爱因斯坦的质能关系得到了验证。从此，人类进入核能时代。
质速关系
物体的质量会随速度增大而增大
当物体相对于某惯性参考系静止时，它具有最小的质量 m0，当物体以速度 v 相对该惯性参考系运动时，则在该惯性参考系观测它的质量
广义相对论效应
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PART three
时空弯曲
由于物质的存在，空间和时间会发生弯曲。
天体之间的引力作用是时空弯曲的结果。
时空弯曲
当遥远的恒星发出的光经过太阳表面时，太阳周围的空间弯曲，致使光线发生弯曲。理论计算星光经过太阳周围空间射向地球后的偏角为 1.75″
1919年5月29日，日全食将出现在南半球中纬度地区，在这一天，太阳将正好处在易于观测的壁宿星团。为了取得最佳观测效果并保证万无一失，英国皇家天文学会等考察队兵分两路：一支队伍由戴森带领，去巴西的索布拉尔，一支队伍由爱丁顿亲自带队，去西非的普林西比岛进行观测。得到的结果与爱因斯坦的理论值相当吻合。
时空弯曲
爱因斯坦
爱因斯坦是近现代伟大的物理学家，他出生在德国西南部古城乌尔姆的一个犹太家庭。
爱因斯坦的主要贡献有：提出光量子说，解释了光电效应；创立了狭义相对论和广义相对论。 1921年，他因解释了光电效应而获得诺贝尔物理学奖。因为担心当时的德国抢先造出原子弹给世界带来灾难，1939 年，爱因斯坦写信给美国总统罗斯福，建议研制原子弹。这就是著名的“曼哈顿计划”的起源。
爱因斯坦是一位热忱的和平主义者，他利用一切机会呼吁不要把科学发现变成杀人武器，并号召全世界科学家团结起来反对核战争。
爱因斯坦

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