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1.14 评估相对论的启发作用

在前面的几节中,我们可以用以下内容描述我们的思路:经验不仅让我们觉得相对性原理是正确的,还让我们觉得光在真空中的传播速度是恒定值 c 。这两条结合在一起就得到了描述自然界过程的各个事件的变换定律,这个定律用直角坐标系 x y z 和表示时间的 t 表达。这是和经典力学的不同之处,它指的是洛伦兹变换,而不是伽利略变换。

目前,我们的知识让我们可以接受光的传播定律,而且它在我们的思考过程中有着不可或缺的作用。不过,只要把洛伦兹变换和相对性原理结合在一起,这个定律可以这样概括:

自然界中的每一个定律都必须建立在严密的定理上,如果用新的坐标系 K' 中的 x' y' z' t' 去替代最初的坐标系 K 中的 x y z t ,那么,经过变换之后,这个定律依然保持原来的形式。在这里,洛伦兹变换决定了带重符号的量和不带重符号的量。总之,对于洛伦兹变换来说,自然界中的普遍定律是变异的。

这是相对论对自然界定律的要求。因此,当探索自然界的定律时,相对论有着非常重要的启示作用。如果发现具有普遍性的自然定律无法满足这个条件,那么,说明相对论的两个基本假设中有一个是错误的,或者两个都是错误的。直到现在为止,通过相对论发现了哪些普遍性结果呢?接下来,我们讨论一下。

1.14 评估相对论的启发作用

附 关于狭义相对论的问题

爱因斯坦坚信世界的内在和谐,勇于追求真理的逻辑规律,想要消除惯性系和非惯性系之间的不对称性。只有把狭义相对论原理扩展成非惯性系统才能解决这个问题。

狭义相对论面临的另一个问题是引力,因为这里所说的引力和牛顿的引力公式、引力势方程相互矛盾。

牛顿的引力公式又叫做万有引力定律公式。

万有引力:宇宙中的一切有质量的物体之间的相互作用。

万有引力定律:宇宙中的所有物体都会相互吸引。两个物体之间的引力大小和它们的质量的乘积是正比关系,和它们的距离的平方是反比关系。

万有引力公式为:

在式子中, G 是一个恒定值, G =6.67×10 -11 N · m 2 / kg 2 M m 表示的是两个物体的质量; r 是从一个物体的中心到另一个物体的中心的距离。

狭义相对论创立之后,许多人仔细研究各种物理定律在洛伦兹变换中体现出来的协变性,并且取得了巨大成就。不过,爱因斯坦和许多物理学家都发现了一个问题:当想要将牛顿引力理论归纳到相对论理论中时,却发现它们之间有着严重的冲突。开始时,爱因斯坦想要用一个定律描述引力场的变化状况。他把引力定律放在狭义相对论的框架中,希望可以推导出引力的场定律。不过,研究结果令人惊讶:落体的加速度和它们的内能有着一定的联系。这个结果让爱因斯坦明白,狭义相对论的框架中无法包含引力理论。

寻找第二个爱因斯坦

10道趣味问题

在一封来自于美国普林顿大学的电子邮件中,10道没有标准答案的物理题将会激发出人们的想象力。

无论你是否喜欢科学,我都希望你有强烈的好奇心。

“好奇心”是产生下一个爱因斯坦的基础。

1. 我想要拥有一个彩色的影子。 每一个人都有自己的影子,而且是独一无二的,在大家的印象中,影子永远是黑色的。不过,世界上有没有彩色的影子呢?你是否能为自己制造出一个彩色的影子呢?

2. 制作自行车里程计。 每辆汽车上都装有里程表,我们能否为自行车设计一个里程表呢?使用什么装置才能够把自行车车轮的转动次数记录下来,然后转换成公里呢?

3. 制作一个测量液体密度的杆秤。 在我们的生活中,许多商品的质量和它们的密度有着紧密的联系。如果有一根杆秤和一些小配件,如何才能简单地测量出液体的质量呢?

4. 制作一个太阳灶使它不会受到太阳位置变化的影响。 虽然太阳能是无污染的可再生能源,但使用太阳灶对物品加热会遇到一个大麻烦,那就是对于太阳灶来说,太阳的角度不是恒定的,而是不断变化的。是否能够制作出一种新型太阳灶,让它不受太阳位置变化的影响呢?

5. 设计一套家庭节水方案。 淡水资源是非常珍贵的资源,每一个人都应该学会节约用水。作为家庭中的一员,你能否想到一个节约用水的好方法呢?

6. 设计一个生活垃圾分检和回收方案。 在日常生活中,我们会制造大量的生活垃圾,有些有毒物质会对环境产生不利影响,是否可以根据各种垃圾的不同物理性质,设计出一个分检垃圾的装置,不仅可以收回有用物品,还可以妥善处理有毒物质呢?

7. 设计一套主要使用太阳能的环保型家庭能源方案。 现代人不仅想要环保,还不想过原始人的生活。那么,一个现代家庭是否可以仅仅依靠太阳能来生存呢?

8. 设计一个自动关门装置。 在不使用电机和弹簧的情况下,如何才能把开门的能量部分保存起来用在关门上呢?

9. 用发光二极管制作一个无需使用电池的手电筒。 发光二极管不仅发光效率高,而且寿命长,这是一个很不错的东西。现在,让我们设计一个无需使用电池的新型手电筒吧!

10. 设计一个调整吊车立柱高度的方案。 你是否注意过建筑工地上的吊车立杆?它的升降有着深奥的秘密。现在,请你根据相关知识设计一个让它随意上升或者下降的方案。 Eevu1OjZbYCBd9V9yoqeQmXDdNbUKyQ8FD3yNB56MHmEQAG9raXEtOIdKqIwNb0M

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