给高中生的狭义相对论

作者: 锁相

来源: 科学公园

发布日期: 2016-03-14 15:57:27

本文是为高中生准备的狭义相对论科普文章,介绍了相对论的基本概念和原理,特别是爱因斯坦的相对性原理和光速不变原理,以及它们如何改变了经典物理学。文章还提到了相对论与量子力学在现代物理中的重要地位。

2015年是广义相对论发表一百周年,为了让更多有兴趣的读者了解相对论,科学公园特刊发锁相老师的一组科普文章。

“给高中生的狭义相对论”系列文章是关于狭义相对论的科普,预设的读者是对物理感兴趣的高中毕业生,因此文章中将尽量不出现数学公式和过多的物理术语。部分必须出现的术语将在文章末尾的“名词解释”部分简单阐述。

相对论与量子力学是现代物理的两大支柱,前者取代了高速运动下的经典物理,后者取代了微观下的经典物理。相对论在现实生活中的应用远少于量子力学,但似乎相对论更被科学爱好者所熟知,这也许跟其创建者爱因斯坦的传奇经历有关,也跟相对论的入门知识比较系统化有关。

相对论分为狭义相对论与广义相对论,前者讨论的是做匀速运动的惯性参照系,后者讨论做任意运动的参照系。受限于数学工具,在这里我将只介绍狭义相对论。关于狭义相对论产生的思想根源将在此系列文章的最后一篇“牛顿时空观的局限与广义相对论”中介绍。

爱因斯坦在实验观察的基础上,提出了狭义相对论的理论假设,人们将之归纳为相对性原理和光速不变原理。相对性原理比较符合人们的理解,也符合物理学家的美感,毕竟物理学是寻找规律的科学。光速不变原理则完全颠覆了经典认识,但是,基于实验观察,麦克斯韦方程组(详见名词解释)的结论被一一验证了,所以我们必须承认光速不变,并把它作为理论的基石。

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