그 중 1905 년 6 월 30 일 발표된' 운동물체의 전기역학' 은 이후 좁은 상대성이론이라고 불린다.
오늘은 협의상대성론 발표 1 14 주년 기념일이다. 이 이론은 100 년 전, 우리는 이해할 이유가 없다. 오늘 여러분께 잘 말씀드리겠습니다. 협의상대성론은 무엇을 말했습니까?
200 년 동안 계속된 세배
사실, 특수 상대성 이론의 탄생은 주로 200 년 과학사를 뛰어넘는 원한에서 비롯된다.
카메라를 17 세기로 전환합시다. 첫 번째 조연은 현대물리학의 아버지로 불리는 갈릴레오입니다.
갈릴레오가' 갈릴레오 변환' 을 제안한 적이 있나요? " 다음 중 하나를 수행합니다.
하나의 참조 시스템에서 설정된 물리적 법칙은 적절한 좌표 변환을 통해 모든 참조 시스템에 적용될 수 있습니다.
무의식적인 느낌이 있습니까? 사실 이것은 모두 허장성세이다. 예를 들어, 당신이 기차에 있다면, 마침 옆에 기차가 한 대 있는데, 기차에 앉아 있는 사람들은 자신의 기차가 움직이고 있는지, 아니면 옆에 있는 기차가 움직이고 있는지 분간하기 어렵다는 것을 이해할 수 있습니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 기차명언)
사실, 운동은 상대적이라는 것을 이해할 수 있습니다. 간단한 모델을 사용하면 다음과 같습니다.
A 와 B 는 서로 가깝다. 만약 A 를 참고계로 선택한다면, 우리는 A 가 정지된 것이고, B 가 움직이는 것이라고 단정할 수 있다. 참조 시스템으로 B 를 선택하면 B 는 정적이고 A 는 운동입니다.
그렇습니다. 이것은 중고등학교 물리 수업에서 말할 "참조 시스템" 또는 "참조 항목" 입니다.
차에 앉아서 앞으로 나아가면, 바닥에 서 있는 아이들은
너의 속도 = 기차의 속도+네가 차에서의 속도, 너의 속도 = 10+5 = 15m/s. 너는 이 이론에서 속도가 겹쳐질 수 있다는 것을 발견했니?
나중에 뉴턴은 갈릴레오 변환을 자신의 역학 체계에 포함시켰다. 우리가 뉴턴의 법칙을 적용할 때, 우리는 먼저 참고계를 지정해야 한다.
하지만 뉴턴은 공간과 시간이 절대적으로 독립적이라는 가정을 했습니다.
솔직히 말하면, 지구상의 모든 물체는 시간에 대한 느낌이 똑같다. 공간은 똑같다. 공간의 원근은 모든 사람에게 똑같다. (아리스토텔레스, 니코마코스 윤리학, 지혜명언) 간단하게 요약해야 한다면:
공간과 시간은 물체의 운동 상태와 무관하다!
공간과 시간은 물체의 운동 상태와 무관하다!
공간과 시간은 물체의 운동 상태와 무관하다!
(중요한 일을 세 번 말하다)
뉴턴의 이론은 나중에 널리 응용되어 해왕성의 존재를 예언하여 물리학의 확고한 초석 이론이 되었다.
나중에 과학자들은 전기와 자기학을 연구하기 시작했다. 특히 맥스웰 시대에 맥스웰은 맥스웰 방정식을 제안했다.
그는' 전기' 와' 자기' 를 통일하여 전자파의 개념을 제시하여 빛이 전자파라고 예언했다.
물리학자 헤르츠는 실험을 통해 맥스웰의 관점을 검증했다. 하지만 이것이 바로 문제입니다. 맥스웰 방정식은 참고계가 필요하지 않다. 단도직입적으로 말하다.
전자파의 속도, 혹은 광속은 어떤 참고체계에 상대적일 필요가 없다. 모든 관성 참조 시스템에서 광속은 3× 108 미터/초입니다.
이것은 뉴턴 역학과 모순된다. 그러나 뉴턴 역학이 너무 정확해서 관찰과 이론이 완벽하게 일치한다. 맥스웰 방정식도 반석처럼 견고하여 전자기 현상을 잘 설명할 수 있다. 그럼 어디가 잘못됐나요?
과학자의 타협
갈릴레오, 뉴턴, 맥스웰은 모두 물리학 역사상 상위 5 위, 절대적인 신이라는 것을 알아야 한다. 신선이 싸우면 일반 물리학자는 오이를 먹을 수밖에 없다. 다만 물리학은 항상 앞으로 나아가야 하는데, 대신은 죄를 지을 수 없고, 한 그릇의 수평을 유지해야 한다. (윌리엄 셰익스피어, 햄릿, 물리명언)
따라서 과학자들은 파동의 전파에 매체, 즉 물이 필요하다고 생각한다. 광 전파에도 매체가 필요합니까?
그래서 당시 과학자들은 빛의 전파 속도가 절대적이지 않고 매체에 상대적이어야 한다고 생각했다. 따라서 과학자들은 우주에' 이더넷' 이라는 물질이 가득 차 있다고 생각한다. 에테르는 빛 (전자기파) 에 대해 물이 파도에 대한 것과 같다. 완벽해 보이지 않나요? 그러나 과학은 상상에만 의존해서는 안 된다. 그것은' 이더넷' 이 실제로 존재한다는 증거를 찾아야 한다. (존 F. 케네디, 과학명언)
결과는 어떨까요? 죄송합니다. 과학자들은 모든 것을 시도했고, 결국 에테르가 존재하지 않는다는 결과가 나왔습니다!
이제 끝났어. 오랜 시간이 지난 후, 뉴턴과 맥스웰 사이의 갈등은 아직 해결되지 않았다. 그래서 과학자들은 머리를 크게 벌리고 큰 수법을 참기 시작했다. 그중 가장 유명한 것은 로렌츠와 푸앵카레이다. 두 사람의 공통점을 찾아야 한다면, 반드시 좁은 상대성론에 가장 가까운 사람이어야 한다.
로렌츠는 수지가 균형을 이루는 대가이다. 그는 왼손에 갈릴레오 변형을 들고 오른손에는 관성 참조 시스템의 광속이 변하지 않는다. 그런 다음 결합하여 그 자신도 이해할 수 없는 것을 창조한다. 이 물건은 로렌츠 변환이라고 합니다.
푸앵카레는 철학적 차원에서 몇 가지 관점, 특히 동시성의 상대성을 제시했다. 같은 사건이다. 다른 사람 (참조 시스템) 이 보는 것은 반드시 동시에 발생하는 것은 아니다. 그들의 운동 상태에 따라 달라진다. 그러나, 푸앵카레도 생각했지만, 아무도 진정으로 만족스러운 결과를 내놓을 수 없었다.
양전닝 (WHO) 는 그의 문장' 기회와 비전' 에서 다음과 같이 썼습니다.
로렌츠는 수학은 있지만 물리는 없다. 푸앵카레는 철학은 있지만 물리학은 없다. 바로 26 세의 아인슈타인이 감히 초기 시간 개념에 의문을 제기하고 동시성이 상대적이라는 주장으로 새로운 물리적 세계의 문을 열었다.
특허국 3 급 기술자
네, 학계의 대신 한 무더기가 실패하자 우리 이야기의 주인공이 탄생했습니다. 하지만 그의 전설을 이야기하기 전에 먼저 그를 알아보자.
1905 년 6 월 30 일 아인슈타인은' 운동물체의 전기역학' 논문을 발표했다. 그도 당초 로렌츠와 푸앵카레처럼 수지 균형을 맞춰야 한다. 그래서 두 가지 기본 가설에서 출발합니다.
1 ..? 상대성의 원리 (갈릴레오 변환)
2.? 광속 불변 원리 (관성 참조 시스템의 광속은 변하지 않음)
이 두 가설 중 하나는 갈릴레오가 제기한 것이고, 다른 하나는 맥스웰의 이론에 근거한 것이다. 그런 다음 로렌츠 전환을 추론했고 (결국 같은 방법을 사용했기 때문), 방금 로렌즈는 그가 이 물건을 이해할 수 없다고 말했다. (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 예술명언) 하지만 아인슈타인은 로렌츠와 푸앵카레와는 달리 균형을 이루고 새로운 세상을 창조할 수 있다.
그렇다면 이 새로운 세상은 무엇일까요?
아인슈타인의 반란
아인슈타인의 반역이라고 말해야 하는데, 그 전에 아무도 공간과 시간에 의문을 제기하지 않았다. 모든 사람들은 공간과 시간이 절대적이라고 생각한다. 공간과 시간이 절대적인 것은 무엇입니까? 즉,
너의 1 초도 다른 사람의 1 초이고, 모든 사람의 1 초는 똑같다.
하지만 아인슈타인은 이것이 옳지 않다고 생각했습니다. 그림을 상상해 봅시다. 너는 지면에 서 있고, 너의 친구는 우주선에 있다. 이 때, 당신의 친구가 등불시계를 꺼내면 실생활에는 존재하지 않지만, 원리와 시계 타이밍은 같습니다. (데이비드 아셀, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 친구명언) 결국 아인슈타인은 이런' 사상 실험' 을 좋아했는데, 이 시계의 타이밍 방법은 다음과 같습니다.
램프가 한 번 올라가고 내려가는 시간은 1 초로 설정됩니다.
사실 이치와 시계가 한 번 뛰는 것은 똑같다. 만약 우리가 광속이 어떤 참고계에서도 같다고 가정한다면 (광속불변의 원리), 사람이 우주선에서 보는 빛은 상하이고, 지면에서 보는 빛은 사실 기울어져 있다.
아인슈타인은 시간 = 거리/광속은 어떤 관성 참고계에서도 상수이고 광속도 상수라고 생각한다. 그래서 우주선의 사람들은 빛을 한 번 보면 1 초가 걸리고, 지상의 사람들은 경로가 더 길기 때문에, 우리는 2 초라고 가정한다. (알버트 아인슈타인, Northern Exposure (미국 TV 드라마), 스포츠명언)
우주선에서 누군가가' 광시계' 의 리듬으로 방송체조를 하고 있다면, 우주선에서 1 초 만에 완성할 수 있는 동작은 지상의 사람들이 2 초를 봐야 한다. 솔직히 말해서, 그들이 본 것은 방송 체조의 느린 동작이다.
반대로, 지상의 사람들도' 광시계' 를 들고 있다면, 사실 운동이 상대적이기 때문에 상황은 정반대가 될 것이다. 지상의 사람들은 1 초, 우주선의 사람들은 2 초를 본다. 즉, 지상의 사람들도' 광시계' 의 리듬으로 방송체조를 하고 있다면, 우주선의 사람들도 방송체조의 느린 동작을 볼 수 있다는 것이다.
이런 효과를 시간 팽창이라고 한다. 그것은 확실히 존재한다. 과학자들은 μ(miω) 하위 실험을 통해 이 점을 증명했다. 우리가 우주선을 고속철도로 바꾸면 고속철도의 시계가 실제로 10 억분의 1 초 늦는다. 바로 이런 작은 차이 때문에 우리는 느낄 수 없다. 속도가 특히 빠를 때, 특히 광속에 가까울수록 시간 팽창의 효과가 더욱 두드러진다.
이 실험은 우리에게 한 가지 이치를 알려준다.
시간은 물체의 운동 상태와 관련이 있다!
시간은 물체의 운동 상태와 관련이 있다!
시간은 물체의 운동 상태와 관련이 있다!
(중요한 일을 세 번 말하다)
아인슈타인은 시간이 물체의 운동 상태뿐만 아니라 공간도 마찬가지라고 말했다. 아까 우주선을 예로 들어보죠. 거리이기도 합니다. 시간 팽창 효과로 인해 우리가 지면을 걷는 데는 2 초가 걸릴 수 있지만, 우주선 안의 사람들은 1 초 안에 걸을 것이다. 그리고 우주선에 있는 사람이든 지면에 있는 사람이든, 이 거리에 상대적인 우주선의 비행 속도는 똑같다. 이것은 우주선의 사람들이 보는 거리가 실제로 지상의 사람들이 보는 거리보다 짧다는 것을 보여준다. 이것은 길이 수축입니다.
그래서 우리는 속도가 빛의 속도에 가까울수록 길이 수축이 더 심하다는 것을 알게 될 것이다. 이것은 다음과 같은 것을 보여줍니다.
공간은 물체의 운동 상태와 관련이 있다!
공간은 물체의 운동 상태와 관련이 있다!
공간은 물체의 운동 상태와 관련이 있다!
(중요한 일을 세 번 말하다)
아인슈타인은 한 걸음 더 나아가 매우 전복적인 개념, 즉 동시성의 상대성 이론을 제시했다. 구체적으로 말하자면:
두 가지 일은 한 좌표계에서 동시에 발생하며, 다른 좌표계에서는 동시에 발생하지 않을 가능성이 높다.
그럼 도대체 어떻게 된 일입니까?
우리는 또한 아인슈타인을 배우고 사상 실험을 하러 왔다. 우선, 우리는 같은 크기의 기차 두 대가 있고, 방향이 반대이며, 지면을 기준으로 속도가 같다고 상상할 수 있다.
다만 두 대의 기차는 같은 궤도에 있지 않고, 2 층 평행 궤도에 있는데, 한 대의 기차는 위에 있고, 한 대의 기차는 아래에 있다. 우리는' 사건 A' 가 상층열차 앞부분과 하층열차 뒷부분이 만났을 때, 사건 B' 는 하층열차의 앞부분과 상층열차의 뒷부분이 만나는 것이다.
그래서 문제는, 이벤트 A 와 이벤트 B, 어느 것이 먼저 발생합니까?
물론, 만약 당신이 지상에서 본다면, 이 두 사건은 확실히 동시에 발생한 것이다.
그러나, 만약 당신이 위의 기차에 있다면, 아래의 기차는 당신을 기준으로 움직입니다. 위에서 우리는 규모 효과도 이야기했다. 그래서, 당신이 보는 것은 아래의 기차가 당신의 기차보다 짧다는 것입니다. 그래서 여러분이 보시는 장면은 이렇습니다.
다른 말로 하자면, 당신이 위의 기차에서 본 것은' 사건 A' 가 발생하기 전,' 사건 B' 가 발생한 후였다.
만약 당신이 아래 기차에 있다면, 위의 기차도 당신을 기준으로 운동하고 있습니다. 아니면 스케일 효과 때문입니다. 따라서 위의 기차가 기차보다 짧다는 것을 알 수 있습니다. 그래서, 당신이 보는 것은 다음과 같아야합니다.
다른 말로 하자면, 당신이 아래 기차에서 본 것은' 사건 B' 가 발생하기 전,' 사건 A' 가 발생한 후입니다.
그러나 여기서 주목해야 할 점은 속도가 매우 높고 광속에 가까울수록 이런 영향이 더욱 두드러진다는 것이다. 저속으로, 우리는 육안으로 무슨 차이가 있는지 알 수 없다.
따라서' 동시성' 도 상대적인 개념이며, 참조 체계에 기반을 두고 있다. 참조체계에 따라 상황이 다르다.
이런 인식에 근거하여 아인슈타인의 수학 선생님 민코프스키는' 광추' 라는 개념을 제시했다.
임의의 이벤트를 기반으로 좌표계를 설정할 수 있습니다. 가로좌표는 공간을 나타내고 세로좌표는 시간을 나타내며 좌표계에서 이벤트의 시공간 위치를 그릴 수 있습니다.
주목해야 할 점은 이 광콘은 특별히 대회를 겨냥한 것이고, 미래 광콘은 다음을 가리킨다는 것이다.
현재 미래 사건에 미치는 영향.
예를 들어, 다음 그림에서 이벤트 a 는 이벤트 b 에 영향을 줄 가능성이 높습니다 .....
과거 광추란 현재에 영향을 미치는 과거의 사건을 말한다.
즉, "과거 원뿔" 내에서 발생하는 이벤트만 현재에 영향을 준다는 뜻입니다. 과거 광추' 이외의 과거 사건은 빛의 속도 제한으로 현재에 영향을 줄 수 없다.
예를 들면: 나 는 이 문장 를 사건 A 로 썼고, 너 는 이 문장 을 사건 B 로 본다.
그래서, 유명한 말이 있습니다.
광추 안은 운명이다.
모든 현황은 과거의 광추 사건으로 인해 발생했고, 과거의 일은 이미 발생했고, 우리도 바꿀 수 없다. 만약 한 걸음 더 나아가면, 우리는 영원히 현재에 살 수 없다는 것을 알게 될 것이다. 왜냐하면 우리가' 현재' 라고 부르는 것은 모두 과거에 기인한 것이기 때문이다.
예를 들어 거울을 보면, 지금의 자신이 아니라 과거의 자신을 볼 수 있다. (조지 버나드 쇼, 자기관리명언) 이것은 당신의 얼굴이 거울을 향해 빛을 반사하고, 거울이 당신의 눈을 향해 빛을 반사하기 때문입니다. 빛이 이 거리를 전파하는 데는 시간이 걸리므로, 당신이 보는 것은 사실 과거의 자신이다.
다른 말로 하자면, 당신이 본 모든 사건은 실제로 과거에 일어났고, 과거의 사건의 영향은 이제 시간이 걸린다. 지금 일어나고 있는 일의 영향은 현재가 아니라 미래입니다. 이것은 시간추의 계시입니다. 아인슈타인은 단지 좁은 상대성 이론을 통해 시간과 공간을 통일했을 뿐이라고 할 수 있지만, 이것은 끝나지 않았다.
질량은 에너지다.
1905 년 9 월 아인슈타인은 특수 상대성 이론을 발표한 뒤' 물체의 관성이 포함된 에너지와 관련이 있는가? 이 문장 속에서 아인슈타인은 질량과 에너지를 통일하고 유명한 질능 방정식을 제시했다.
그렇다면 질량 에너지 방정식을 어떻게 이해할 수 있을까요?
아인슈타인의 앞에, lavasie 는 질량 보존의 법칙을 제안 하 고, 뉴튼 역학에서는, 에너지는 보존 된다. 하지만 아인슈타인은 이렇게 생각했습니다.
에너지와 질량은 독립적이지 않고 사실상 같은 일이다.
저명한 과학자 달리 박사는 이런 예를 들었다.
만약 당신이 중국과 미국에 모두 예금 계좌를 가지고 있다면, 두 계좌의 예금 가치는 변하지 않을 것입니다. 하지만 두 나라에 속하기 때문에 한 계좌에서 다른 계좌로 돈을 이체하려면 환율을 통해 환산해야 한다. 여기서 우리는 인민폐를 에너지로 보고 달러를 품질로 볼 수 있다. 만약 합계가 변하지 않는다면, 에너지와 질량은 전환될 수 있다. 그런 다음 e = MC 2 는 에너지와 질량의 교환률을 나타냅니다. 여기서 광속 C 는 교환율 시스템입니다.
이 공식은 원자폭탄의 위력이 왜 이렇게 큰지 설명한다. 핵폭발 전후의 질량은 결손이고, 이러한 질량은 에너지로 변환되기 때문이다.
협의상대성론에 대해 사실 많은 것이 있으니 이번에는 말해 보세요. 특수 상대성 이론을 깊이 이해하려면 사실 수학 계산이 필요하다. 상대성 이론은 반상식이기 때문이다. 왜 상식에 어긋나는가?
우리는 거시적으로 저속의 세계에 살고 있는데, 이 규모에서는 상대성론 효과가 너무 작다. 사람은 느낄 수 없고, 기기조차도 감지하기 어렵다. 거시적으로 저속의 경우 상대성 이론은 뉴턴 역학과 맞먹는다. 상대성론 효과는 속도가 광속에 더 가까울 때만 더욱 두드러진다.
바로 이런 이유로 우리는 상대성 이론이 매우 상식적이라고 생각한다. 이것은 우리에게 진실을 말해줍니다.
지금의 생활에 속지 말고 바깥 세상을 많이 보아라. 자신의 삶에서 벗어나야 세상을 더 깊이 이해할 수 있다.