5.1: 相对论前奏

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Nov 1, 2022
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202161
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- 5: 相对论
- 5.2: 物理定律的不变性

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狭义相对论由阿尔伯特·爱因斯坦（1879—1955 年）于1905年提出。它描述了时间、空间和物理现象如何在彼此之间以恒定速度移动的不同参照系中出现。这与爱因斯坦后来关于广义相对论的著作不同，后者涉及任何参考框架，包括加速框架。

GPS 卫星的插图 — 图 $\PageIndex{1}$ ：狭义相对论解释了地球上和快速移动的全球定位卫星（GPS）内部的时间流逝有何略有不同。如果不考虑这种校正，车辆中的 GPS 装置就无法在地球上找到正确的位置。（来源：美国空军）

相对论导致我们感知空间和时间的方式发生了深刻的变化。在牛顿世界观中，我们用来关联空间和时间测量的 “常识” 规则与速度接近光速的正确规则有很大不同。例如，狭义相对论告诉我们，在相对于彼此移动的参考系中，长度和时间间隔的测量值是不相同的。可以观察到粒子在一个参考系 $1.0×10^{−8}s$ 中的寿命为，但在另一个参考系 $2.0×10^{−8}s$ 中的寿命为；可以测量一个物体在一帧中的长度为 2.0 m，在另一帧中测量为长 3.0 m。这些影响通常只有在速度与光速相当时才显著，但即使在全球定位卫星的速度要低得多（需要极其精确的时间测量才能起作用）下，不同参照系中相同距离的不同长度也很重要足以将它们考虑在内。

与描述粒子运动的牛顿力学或规定电磁场行为的麦克斯韦方程不同，狭义相对论不仅限于特定类型的现象。相反，它的空间和时间规则会影响所有基本的物理理论。

狭义相对论中牛顿力学的修改不会使经典的牛顿力学失效，也不会需要取而代之。相反，相对论力学方程与传统牛顿力学方程有意义的区别，仅适用于以相对论速度（即速度小于但与光速相当）移动的物体。在你在日常生活中遇到的宏观世界中，相对论方程简化为经典方程，而经典牛顿力学的预测与实验结果非常吻合，因此忽略了相对论的校正。