在前面各节中,我们的思路可概述如下:经验在一方面使我们确信,相对性原理是正确的;在另一方面,光在真空中的传播速度被认为等于恒量 c 。把这两条结合起来,便得出有关构成自然界过程诸事件的直角坐标 x、y、z 和时间 t 在量值上的变换定律,这一点与经典力学不同,它不是伽利略变换,而是洛伦兹变换。
光的传播定律是我们目前的知识可以接受的一个定律,它在我们的思考过程中起了重要的作用。可一旦有了洛伦兹变换,我们就能结合洛伦兹变换和相对性原理,将这个理论概括如下:
每一个普遍的自然界定律必须由以下正确严密的定理建立,若代替最初的坐标系 K 的空间—时间变量 x、y、z、t 是我们新引用的坐标系 K ′的空间—时间变量 x ′、 y ′、 z ′、 t ′,那么经过变换以后该定律仍与原来的形式完全相同。这里,带着重符号的量和不带着重符号的量之间的关系就由洛伦兹变换公式来决定,或简而言之,普遍的自然界定律对于洛伦兹变换是变异的。
这是相对论对自然界定律所要求的一个明确的数学条件。有鉴于此,在帮助探索普遍的自然界定律中,相对论具有极其宝贵的启发作用。如果发现一个具有普遍性的自然界定律并不满足这个条件的话,就证明相对论的两个基本假定之中至少有一个是不正确的。迄今为止,相对论究竟已经确立了哪些普遍性结果呢?现在让我们来看一看。
光的传播定律
光的传播定律:(1)光沿直线传播。(2)两束光在传播过程中相遇时互不干扰, (3) 光传播途中遇到两种不同介质的分界面时,一部分反射,一部分折射,并且偏射向密度较大的一方。
爱因斯坦坚信世界的内在和谐,追求理论的逻辑统一,不能容许惯性系与非惯性系之间这种内在不对称情况的存在。解决这个难题的办法,就是把狭义相对论原理扩大到非惯性系统。
狭义相对论的另一个严重困难来自引力,因为它与牛顿的引力公式和引力势方程不相容。
牛顿的引力公式即是万有引力定律公式。
万有引力:宇宙中任何有质量的物体之间的相互作用。
万有引力定律:宇宙间的一切物体都是相互吸引的。两个物体间的引力大小,跟它们之间质量的乘积成正比,跟它们的距离的平方成反比。
万有引力公式: 式中, G =6.67×10 -11 N·m 2 /kg 2 ,为万有引力恒量; M 、 m 是两物体的质量; r 为两物体的中心距离。
狭义相对论提出后,许多人曾致力于检验各种物理定律在洛伦兹变换中的协变性,他们都获得了成功。但是包括爱因斯坦本人在内,都发现一个问题:当把牛顿引力理论纳入到相对论理论之中时,却遇到了明显的矛盾。起初,爱因斯坦试图寻找一个描述引力场变化的结构定律。他在狭义相对论的框架内处理引力定律,以期推出引力的场定律。可是,研究的结果却出乎意料:落体的加速度与它的内能有关。这让爱因斯坦认识到,在狭义相对论的框架里,不可能有令人满意的引力理论。
相互吸引的星球
图中的两个星球始终保持着一定距离而不会进一步靠近,主要原因是两个星球之间产生的引力刚好等于他们的离心力,因此,两个星球既不能靠近,也无法远离,彼此始终保持着一定距离。
10道有趣的问题
一封来自美国普林斯顿大学的电子邮件中,10道没有标准答案的物理研究课题将激活人们的无限想象。
你喜欢科学或者不喜欢,这都不要紧,但希望你总还有点热情和好奇心。
“好奇心”就是下一个爱因斯坦诞生的起点。
1.让我有一个彩色的影子。 每个人都有一个独一无二的影子,在印象中影子似乎只有黑色一种。世界上会有彩色影子吗?是否能依照自己的样子为自己设计出一个彩色的影子呢?
2.自制自行车里程计。 汽车都有里程表,我们能不能给自行车也装个里程表呢?如何用机械或电子的方法将自行车轮的每一次转动自动记录下来,并将其转换成公里数?
3.自制一个能测液体密度的杆秤。 我们平时遇到的一些液态商品的质量可能同其密度有关。给你一根杆秤,外加一些小配件,如何才能方便地测出液体的质量呢?
4.设计一个不受太阳位置变化影响的太阳灶。 太阳能是一种绿色可再生能源,但用太阳灶加热物品有个麻烦,那就是相对太阳灶来说太阳的角度在不停地变化。能不能设计一种太阳灶,让太阳不论在什么位置都有一个同样的焦点呢?
5.设计一套家庭节水方案。 我国的水资源非常紧缺,节约用水是我们每个人的责任。作为一个家庭,如何用水更合理?
6.设计社区生活垃圾分捡和回收方案。 日常生活中会产生大量生活垃圾,有些有毒物会污染环境,能否利用各种垃圾不同的物理性质,设计一种分离装置方便地把垃圾分捡开来,将有用的部分回收,有毒的东西妥善处理呢?
7.设计一套以太阳能为主要能源的环保型家庭能源方案。 作为一个现代人,又想环保又不想过原始人的生活。那么,一个现代化的家庭能否只用太阳能就可以生活呢?
8.设计一个自动关门装置。 不用电机,不用弹簧,如何把开门的能量保存起一部分用来关门呢?
9.利用发光二极管设计一个不用电池的手电筒。 发光二极管可是个好东西,发光效率高而且寿命还很长。让我们自己动手设计一个不用电池就能发光的手电筒吧。
10.设计一套调节吊车立柱高度的方案。 你见过建筑工地上的吊车立柱吗?它的升降大有学问。请利用相关知识,设计一套让它随意长高或变矮的方案吧。