物理

相对论简史

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(帖主是数学竞赛生，关于相对论大家自己讨论，我就不参与了，不要水评！！！)

我要开始发粪涂墙了！

(发点勾四玩意涂到论坛的墙上)

(史蒂芬 霍金写的)

(我就“简单”讲讲)

19世纪后期，科学家认为有一种名为“以太”的连续介质充满了宇宙，空气中的声波，光波等都是“以太”中的波

然而，不久以后，被推翻了(准确来说是出现了与其悖逆的理论)

在“以太”理论中，光的速度对以太来说应是一个定值，那么当我们沿着光传播的方向行进时，所测的光速应比静止时所测的光速低；反之，则......(大家自己应该都知道)

but，转折出现了，在1887年美国字母哥研究所里的字母哥和字母哥测量了两束呈直角的光线的传播速度，惊奇地发现，速度竟然相等！！！(在以太理论中，由于地球的自传和公转，地球应在以太中穿行，两束光线也应因地球的运动而测出不同的速度)

实在是amazing啊

爱尔兰的字母哥和荷兰字母哥最早认为，对于以太，做运动的物体在运动方向上的尺寸会收缩，而时钟会变慢，but，他们同时认为，以太是真实存在的。

这时候，主人公阿尔伯特 爱因斯坦(下文简称爱因斯坦)出场了(当时在瑞士专利局，还很年轻)

1905年，爱因斯坦的论文指出，因为人们无法探测自己相对于以太是否运动，所以以太这个概念纯属多余，爱因斯坦认为：科学定律应赋予所有自由运动的观察者相同的形式，无论观察者如何运动，他们都应该测量到同样的光速

这个思想中，爱因斯坦要求人们放弃所有时钟所测量到的那个普适的时间概念，每个人都应当有他自己的时间值，即：若两个人相对静止，则其时间一致，否则相反

事实证明，爱因斯坦的思想is very正确(实在是太amazing了！)

一个绕地球旋转的时钟与放在实验室中的时钟相比，前者确实有时间指示的差别(聪明的小伙伴已经开始坐着飞机向东面飞行来延长寿命了)

爱因斯坦认为，对所有自然运动的观察者而言，自然定律都是相同的，这是相对论的基础，因为，这个前提隐含了只有相对运动是最重要的。爱因斯坦摒弃了19世纪两个绝对化观念：以太所隐含的绝对静止和所有时钟测得的绝对或普适时间。

这时候就有人要问了：杰瑞杰瑞，相对论是否隐含了这样的意思捏：任何事物都是相对的而不再会有概念上绝对的标准

恭喜你，想到了这个问题，从二十世纪二十年代到三十年代一直有人存在这种疑问，就连给爱因斯坦搬诺贝尔奖的时候，也对相对论只字未提，但，无数实验都已证实相对论的预言。

相对论的重要结论之一，是质能与能量的关系。对所有的观察者而言，爱因斯坦的假定光速是相同的，没有事物可以超过光速

这时候就又有人问了：杰瑞杰瑞，那如果给一个物体持续加速呢？会发生什么？🤓

不错，你已经学会了如何用小白的眼光来看待物理，可能吗？不可能，why？因为你如果给一个粒子不断加速，那么他的质量将会变大，使得很难进行更快的加速。所以说，把一个物体加快到光速是不可能的，因为那需要无穷大的力量。质量与能量是等价的，他们的关系被总结在这么一个式子中：

$E=mc^2$

这简直家喻户晓啊

你们知道这个方程在二战时期用来干什么了吗？

没错，就是造原子弹

(以下内容单纯为讨论相对论的作用，非摄政)

铀原子核裂变为两个小的原子核时，很小的一点质量亏损会释放巨大的能量，这是质能方程众多推论之一。

1939年，一群大科学家游说爱因斯坦，让他给美国总统罗斯福写信，劝说美国开始核研究计划，于是，就有了曼哈顿工程和1945广岛特大烟花

相对论完全融合了电磁理论的有关定律，但他与牛顿的重力定律并不相容，重力理论表明，如果你改变空间的物质分布，整个宇宙的重力场将同时发生改变，这意味着你可以发射比光快的信号，同时需要绝对或普适的时间观念，这为相对论所不相容。

早在1907年，聪明的爱因斯坦就想到了这个问题，直到1911年，爱因斯坦才深入考虑此问题。他意识到加速与重力场的关系：

在密封厢中的人，无法判断它自己对地板的压力是来自于地球重力场中的引力，还是由于在无引力空间中间加速的结果。

我们知道，如果地球是完全平整的，人们可以说，苹果因重力落在牛顿的头上与牛顿与地球表面上升导致牛顿的头撞在苹果上是等价的

但是，这种等价在地球是圆形的前提下不再成立，因为在地球相反一面的人会被反向加速，但两面观察者的距离却是不变的

1912年，爱因斯坦想，如果他在几何中引入一些调整，重力与加速的等价关系就可以成立。如果三维加上第四维的时间所形成的空间—时间实体是弯曲的，那会是什么结果呢？他认为，质量和能量会造成时空弯曲(例如：行星和苹果)

在字母哥的帮助下，爱因斯坦学习了弯曲空间及表面的理论

1913年，爱因斯坦与格罗斯曼(以后就不打字母哥了)合作发表了一篇文章，他们指出了一个思想：重力，只是时空弯曲的事实的一种表述。由于爱因斯坦的小失误，他们当时未能找到曲率以及能量质量的关系方程。1915年11月，他最终发现了联系时空弯曲和蕴含其中的质能关系的方程式

关于弯曲时空的新理论叫做广义相对论，以与原先不含重力的狭义相对论相区别。1919年，一支英国科学考察队远征到西非，在日食期间观察到太阳旁边的一颗恒星位置的微小移动，这证实了爱因斯坦的推断，恒星发出的光线在经过太阳附近时，由于引力而弯曲了，这个证明时空弯曲的直接论据，是自欧几里德几何原本之后，人类感知他们存在于宇宙的一个最大的革命性更新

物质充满着宇宙，同时又导致了时空弯曲而使得物体相互聚集，爱因斯坦发现，用广义相对论解释静态宇宙时，他的方程式无解。为适应静态宇宙，爱因斯坦做出了他一生中最错误的决定，他便通了他的方程式，在其中加上了一个名为宇宙常量的项，这个宇宙常量将再次弯曲时空，以使所有的物体分开，宇宙常量引入的排斥效果将平衡物体的相互吸引作用，从而保证宇宙的长久平衡。

事实上，爱因斯坦带领全人类在理论物理史上留下了浓墨重彩的一笔，直接丧失了自古以来最大的机遇。如果爱因斯坦继续研究，他可能会对宇宙是否正在扩张做出预言

真的是太令人伤心了，直到二十世纪二十年代，当威尔逊山上的100寸天文望远镜观察到遥远的星系正在快速远离我们时，宇宙依然在随着时间的推移不断膨胀。后来爱因斯坦才认识到：www，宇宙常量真是我一生中最严重的错误😭😭😭

(其实宇宙常量还是有用的，我懒得码字了，将就看)

人们对于宇宙的起源及其归宿的讨论方向被广义相对论彻底改变。静止的宇宙可能会永远存在，or say，在过去的某个时间，这一静态宇宙已经产生，也就已经是现在的形态了。

从另一方面来say，如果现在他们正在彼此远离，那么，在过去的时间里，他们彼此之间应是十分宁静的——约150亿年前，他们可能相互重叠，密度也可能是∞。

广义相对论告诉我们，宇宙大爆炸标志着宇宙的起源、时间的开始。因此，爱因斯坦不仅是过去150年内最伟大的人物，他应该获得人们更加长久的尊重。

在黑洞中，空间与时间is so 弯曲 that 没有一丝光线可以逃离，因此，广义相对论预言时间中至于黑洞

amazing，太amazing了

but，诶，广义相对论他偏偏不适用于时间的开端和截至这两个极端的情形。

因此，这一理论并不能解释大爆炸的结果(however，有些人认为这是上帝的象征，上帝可以用自己的方式来创造宇宙)(能想出来这样的人估计就只有轮椅上的那位了♿♿♿，有这种想法的人简直比我还抽象)

另一些人，包括霍金认为，宇宙的起源应该服从于一种普适的原理，它在任何时候都是成立的。

广义相对论不能适用于大爆炸的原因是，他与二十世纪初另一伟大的概念性突破——量子理论并不相容，量子理论最早在1900年提出，当时麦克斯 普朗克发现，从红热物体上发出的辐射，可以解释为“光线以有特定大小的能量单元发出”，普朗克把这种能量单元称为量子。

爱因斯坦对量子的研究持续至20世纪，面对这种基本定律的任意性和不可预知性，爱因斯坦最后没有接受量子机制。

1952年，爱因斯坦被刚成立的以色列政府授予总统职务，但他拒绝了，他说“政治是暂时的，而方程是永恒的”广义相对论方程是他最好的墓志铭，他们与宇宙一起永不腐朽！

(已完结)