相对论的两个基本原理(让每个人都能看懂相对论的推导过程)

首先,爱因斯坦的相对论讲述的是什么?最初的狭义相对论最主要的一个主题是,运动的物体,其速度越快,时间过得相对越慢。其原始推导要参照1904年的洛伦兹变换。下面是洛伦兹变换推导过程,看不懂没关系,后面我一定会用最通俗的文字让大家明白。

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相对论的两个基本原理(让每个人都能看懂相对论的推导过程)(1)

1. 时空坐标间的变换关系

作为一条公设,我们认为时间和空间都是均匀的,因此时空坐标间的变换必须是线性的。

对于任意事件PS系和S'系中的时空坐标(xyzt)、(x',y',z',t'),因S' 相对于S以平行于 x轴的速度v作匀速运动,显然有y'=y, z'=z

S系中观察S系的原点,x=0;在S'系中观察该点,x'=-vt',即x' vt'=0。因此x=x ' vt'。

在任意的一个空间点上,可以设:x=kx ' vt'),k是—比例常数。

同样地可得到:x'=k'x-vt)= k'x (-v)t

根据相对性原理,惯性系S系和S'系等价,上面两个等式的形式就应该相同(除正、负号),所以k=k'。

2. 由光速不变原理可求出常数k

设光信号在S系和S'系的原点重合的瞬时从重合点沿x轴前进,那么在任一瞬时t(或t'),

光信号到达点在S系和S'系中的坐标分别是:x=ct, x'=ct',则:

相对论的两个基本原理(让每个人都能看懂相对论的推导过程)(2)

可得出洛伦兹因子k

相对论的两个基本原理(让每个人都能看懂相对论的推导过程)(3)

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k即洛伦兹因子,乘以时间即狭义相对论的时间膨胀公式。

相对论的两个基本原理(让每个人都能看懂相对论的推导过程)(4)

乘以长度即“钟慢尺缩”的尺缩

现在,我来用通俗的文字讲解一下

相对论的两个基本原理(让每个人都能看懂相对论的推导过程)(5)

洛伦兹坐标变换,简单总结一下就是有两个坐标系--大圆和小圆,大圆静止,小圆以速度V移动,初始大圆A点和小圆B点位置重合。一束光从重合位置发射到达C点。B点也随坐标系小圆的运动而前移。

上文中有这样一句话:光信号到达点在S系和S'系中的坐标分别是:x=ct, x'=ct',变换一下形式即c=x/t, c=x'/t', 也就是说!

在静止的大圆这个坐标系中光速c=AC/t

在移动的小圆这个坐标系中光速c=BC/t'

光的速度要求相等,但是光的路程又不相等,那么只能让时间不相等了。两个时间的关系通过洛伦兹因子这个系数来挂钩,使之不管速度v是多少,光速永远等于c(299792458米/秒)

您明白了么?

那么,为什么同一束光相对于静止的A和运动的B都是同一个数值呢?听上去好奇怪,这就牵扯到光速不变原理了--真空中的光速,相对于任意观测者来说都是相等的。至于这条原理是怎么来的,这是有实验依据的,下一节我会讲--迈克尔逊莫雷实验。

相对论的两个基本原理(让每个人都能看懂相对论的推导过程)(6)

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