按照相對論能量與質量是對應的不可分割的,也就是有能量必有質量,有質量必有能量,關系為E=mc^2,所以物體被加速后將同時獲得能量和質量,摩托車的能量來自自身,所以質量也來自自身,總質量不變(電池變輕,車身變重),電車能量來自外界,質量也來自外界,總質量增加。
狹義相對論有兩條基本假設:1,真空中光速不變
2,物理定律在不同的參考系中取相同的形式
選A
【狹義相對論】
馬赫和休謨的哲學對愛因斯坦影響很大。馬赫認為時間和空間的量度與物質運動有關。時空的觀念是通過經驗形成的。絕對時空無論依據什么經驗也不能把握。休謨更具體的說:空間和廣延不是別的,而是按一定次序分布的可見的對象充滿空間。而時間總是又能夠變化的對象的可覺察的變化而發現的。1905年愛因斯坦指出,邁克爾遜和莫雷實驗實際上說明關于“以太”的整個概念是多余的,光速是不變的。而牛頓的絕對時空觀念是錯誤的。不存在絕對靜止的參照物,時間測量也是隨參照系不同而不同的。他用光速不變和相對性原理提出了洛侖茲變換。創立了狹義相對論。
狹義相對論是建立在四維時空觀上的一個理論,因此要弄清相對論的內容,要先對相對論的時空觀有個大體了解。在數學上有各種多維空間,但目前為止,我們認識的物理世界只是四維,即三維空間加一維時間。現代微觀物理學提到的高維空間是另一層意思,只有數學意義,在此不做討論。
四維時空是構成真實世界的最低維度,我們的世界恰好是四維,至于高維真實空間,至少現在我們還無法感知。我在一個帖子上說過一個例子,一把尺子在三維空間里(不含時間)轉動,其長度不變,但旋轉它時,它的各坐標值均發生了變化,且坐標之間是有聯系的。四維時空的意義就是時間是第四維坐標,它與空間坐標是有聯系的,也就是說時空是統一的,不可分割的整體,它們是一種“此消彼長”的關系。
四維時空不僅限于此,由質能關系知,質量和能量實際是一回事,質量(或能量)并不是獨立的,而是與運動狀態相關的,比如速度越大,質量越大。在四維時空里,質量(或能量)實際是四維動量的第四維分量,動量是描述物質運動的量,因此質量與運動狀態有關就是理所當然的了。在四維時空里,動量和能量實現了統一,稱為能量動量四矢。另外在四維時空里還定義了四維速度,四維加速度,四維力,電磁場方程組的四維形式等。值得一提的是,電磁場方程組的四維形式更加完美,完全統一了電和磁,電場和磁場用一個統一的電磁場張量來描述。四維時空的物理定律比三維定律要完美的多,這說明我們的世界的確是四維的。可以說至少它比牛頓力學要完美的多。至少由它的完美性,我們不能對它妄加懷疑。
相對論中,時間與空間構成了一個不可分割的整體——四維時空,能量與動量也構成了一個不可分割的整體——四維動量。這說明自然界一些看似毫不相干的量之間可能存在深刻的聯系。在今后論及廣義相對論時我們還會看到,時空與能量動量四矢之間也存在著深刻的聯系。
【廣義相對論】
相對論問世,人們看到的結論就是:四維彎曲時空,有限無邊宇宙,引力波,引力透鏡,大爆炸宇宙學說,以及二十一世紀的主旋律--黑洞等等。這一切來的都太突然,讓人們覺得相對論神秘莫測,因此在相對論問世頭幾年,一些人揚言全世界只有十二個人懂相對論。甚至有人說全世界只有兩個半人懂相對論。更有甚者將相對論與通靈術,招魂術之類相提并論。其實相對論并不神秘,它是最腳踏實地的理論,是經歷了千百次實踐檢驗的真理,更不是高不可攀的。
相對論應用的幾何學并不是普通的歐幾里得幾何,而是黎曼幾何。相信很多人都知道非歐幾何,它分為羅氏幾何與黎氏幾何兩種。黎曼從更高的角度統一了三種幾何,稱為黎曼幾何。在非歐幾何里,有很多奇怪的結論。三角形內角和不是180度,圓周率也不是3.14等等。因此在剛出臺時,倍受嘲諷,被認為是最無用的理論。直到在球面幾何中發現了它的應用才受到重視。
空間如果不存在物質,時空是平直的,用歐氏幾何就足夠了。比如在狹義相對論中應用的,就是四維偽歐幾里得空間。加一個偽字是因為時間坐標前面還有個虛數單位i。當空間存在物質時,物質與時空相互作用,使時空發生了彎曲,這是就要用非歐幾何。
相對論預言了引力波的存在,發現了引力場與引力波都是以光速傳播的,否定了萬有引力定律的超距作用。當光線由恒星發出,遇到大質量天體,光線會重新匯聚,也就是說,我們可以觀測到被天體擋住的恒星。一般情況下,看到的是個環,被稱為愛因斯坦環。愛因斯坦將場方程應用到宇宙時,發現宇宙不是穩定的,它要么膨脹要么收縮。當時宇宙學認為,宇宙是無限的,靜止的,恒星也是無限的。于是他不惜修改場方程,加入了一個宇宙項,得到一個穩定解,提出有限無邊宇宙模型。不久哈勃發現著名的哈勃定律,提出了宇宙膨脹學說。愛因斯坦為此后悔不已,放棄了宇宙項,稱這是他一生最大的錯誤。在以后的研究中,物理學家們驚奇的發現,宇宙何止是在膨脹,簡直是在爆炸。極早期的宇宙分布在極小的尺度內,宇宙學家們需要研究粒子物理的內容來提出更全面的宇宙演化模型,而粒子物理學家需要宇宙學家們的觀測結果和理論來豐富和發展粒子物理。這樣,物理學中研究最大和最小的兩個目前最活躍的分支:粒子物理學和宇宙學竟這樣相互結合起來。就像高中物理序言中說的那樣,如同一頭怪蟒咬住了自己的尾巴。值得一提的是,雖然愛因斯坦的靜態宇宙被拋棄了,但它的有限無邊宇宙模型卻是宇宙未來三種可能的命運之一,而且是最有希望的。近年來宇宙項又被重新重視起來了。黑洞問題將在今后的文章中討論。黑洞與大爆炸雖然是相對論的預言,它們的內容卻已經超出了相對論的限制,與量子力學,熱力學結合的相當緊密。今后的理論有希望在這里找到突破口。