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狭义相对论是由阿尔伯特·爱因斯坦( ,1879~1955)在1905年发表的。这一物理理论刚一发表就吸引了众多研究人员。虽然相对论自诞生以来已经过了一百多年,但是爱因斯坦最初创建的框架几乎不需要做任何变更,至今依然有效。那么,狭义相对论讲的到底是什么?如何才能通俗理解呢?一起来看一下这几个关键词吧。

光速不变原理

光速不变原理是相对论的两大基本原理之一,是指“对任何观测者来说,光速都是恒定不变的”,由阿尔伯特·迈克尔逊( ,1852~1931)和爱德华·莫雷( ,1838~1923)在1887年开展的实验证实。他们预测地球的运动会影响光速,并做了一个实验来测量光速会发生多大的变化。实验结果与两人的预测相反,光速并没有发生变化。明明地球在运动,但光速却与地球静止时的光速相同。

爱因斯坦以光速不变原理为基础,认为要想光速对运动中的观测者来说保持不变,那么,正在运动的观测者的时间和空间就必须发生变化,从而提出了狭义相对论。不过狭义相对论,在其论文中,爱因斯坦并没有提及迈克尔逊和莫雷的实验。

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相对性原理

相对性原理与光速不变原理都是狭义相对论的基础理论。相对性原理有各种各样的表述,其中之一是“在不加速即匀速运动(惯性运动)的房间里和静止不动的房间里,物理实验的结果是相同的”。例如,无论在静止不动的室内还是做惯性运动的交通工具内,我们都能过同样的日常生活,这就是相对性原理的表述。

根据相对性原理,无论在室内进行什么物理实验,都无法分辨这个房间是静止不动的还是在做惯性运动。只有与房间外的物体进行对比时,才知道房间(相对于那个物体)是如何运动的。与其他物体比较后才知道的性质被称为“相对的”,利用这个词,可以把相对性原理表述为“运动是相对的”。正在做惯性运动的两艘宇宙飞船,只有通过相互观察才能够知道各自在以多快的速度飞行。

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时空伸缩

爱因斯坦曾经思考过“在以接近光速行驶的火车中照镜子的话,镜子里会映出什么样子”。根据光速不变原理和相对性原理,即便观测者以接近光速的速度运动,镜子里呈现的身姿也不会改变,如果测量光速,就会得到与静止时相同的数值。爱因斯坦认为,要想实现这种看似不可思议的情况,正在运动的观测者所使用的尺度必须缩小,时刻必须偏移,时间流逝必须变慢,否则就会破坏相对性原理。这是让学习相对论的人特别头疼的地方,如果从列车内部向外面观测,火车外的尺度会缩小,时间流逝会变慢。但是,光速为每秒大约30万千米,远远快于日常的速度,因此,相对论的效果微乎其微狭义相对论,我们根本感觉不到。

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E=mc2

“能量与质量是相同的”是狭义相对论得到的结论之一,也称为“质能等效性”或“质能等价性”,用公式“E=mc2”表示,E代表能量,m代表质量,c代表光速。

在物理学中,能量是指推动物体运动、加速或加热的能力。例如,正在运动的物体可以推动其他物体运动,所以具有动能。由于能量与质量是相同的,正在运动的物体的质量会比静止时增加。不过,如果物体的运动速度远远小于光速,其质量的增加微乎其微,所以平时我们根本感觉不到质量的变化。例如,以1千米/秒的速度发射的子弹所增加的质量大约是发射前质量的1万亿分之5。

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本文摘编自《科学世界》2022年第11期《无处不在的相对论》。阅读全文可进入“科学世界微店”购买本期杂志。

新媒体编辑| 张丽君

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