校長用最鄉下的方法安利相對論,再不懂就給跪了



前言

解釋有很多層麵,而且最後肯定解釋不完,比如到“黑洞火牆”什麼的就已經接觸到人類知識的邊界了。倒是有一個起點層麵的東西想跟大家分享一下,理解了這兩個起點,就能夠在學習相對論的路上至少小跑好一陣子了。


狹義相對論

20世紀初的實驗發現,悲劇了!!!光速在所有參考係中居然是一樣的!!!完蛋了,那以前說的速度疊加怎麼辦?也就是伽利略變換,說的是卡車的速度是,裏麵有一頭牛速度相對卡車速度是,那麼牛相對地麵的速度但是如果把牛換成激光呢?拿一隻激光筆在卡車裏向前方照射,地麵上測到的激光速度仍然是而不是

所以伽利略變換是錯的,所以伽利略變換的推導過程有問題,那麼不妨來看一下推導過程:

這尼瑪還能有錯?!是的,必須有錯!

因為對於物理來說實驗最大,實驗必須是對的。偉大的愛因斯坦愣是從不可能有問題地方看出了問題。他認為第三個等號後麵的兩個
是不一樣的。分別是,也就是說不同的參考係有不同的時間,或者說相對的走時率。

完蛋後麵就是一大波基於兩個參考係走時率的推導,唯一的元素就是“光速不變”。你拿一個很簡單的原料,就硬生生地炒出了豐富的菜肴:比如什麼洛倫茲變換,什麼四維矢量,什麼物理量的四維化,甚至把電磁場整個都四維了,我全家都四維了。。。

學完了之後你會發現,整個世界清靜了……親切的風吹和蟬鳴,鳥語花香的感覺,整個世界都變得簡潔了起來。如果你願意接受
的單位,你會發現在四維的世界觀裏麵,原先不一樣的物理量被統一起來了。

原來三個空間坐標
和一個時間坐標組成了一個四維矢量

原來質點三個動量分量能量組成了一個四維矢量

用這個辦法你會把之前幾乎所有的物理量都放到四維的框架裏,要麼是標量,要麼是矢量,要麼是四維矩陣的分量。更好玩的事情是:一旦完成了四維化,一切都太完美了,世界變得清晰而簡單。

【所有的物理量變換參考係都隻需要使用洛倫茲變換!洛倫茲最高!!!四維矢量他創造了曆史!!!】

廣義相對論

好的,狹義相對論在1905年就被愛因斯坦研究出來了,但是10年之後的理論才是愛因斯坦的絕對重頭戲——1915年的廣義相對論。20世紀最偉大的兩大理論物理突破,一個是廣義相對論,另一個是量子力學。愛神以一己之力就砍下半壁江山實在偉大!而且今年也恰好是廣義相對論誕生100周年,讓我們一起領略一下:


物理世界紛繁複雜,但其實也可以非常直觀地理解。我們所有研究的物質,比如蘋果或者蘋果電腦,像是演員。蘋果掉落到地麵上,蘋果電腦砸在地麵上,其實可以理解為是演員在表演。而我們也不能忽略了演員所表演的舞台,那就是時空背景。(傳統意義上認為時空背景是3維空間+1維時間,但是狹義相對論告訴我們時空其實是可以互相轉換的整體,或者說是一個“四維流型”,4維的整合程度就好像4維空間一樣緊密。)

一句話來說就是:物質是演員,演員表演的舞台是4維時空。

請接收毀三觀的頭腦風暴吧,在廣義相對論裏麵引力並不存在。電磁力是力,強力弱力是力,但是引力這種力並不存在。你在耍我?專門研究引力的廣義相對論告訴我引力不存在?

是的,引力不存在,根本就不存在所謂的萬有引力。

不妨先讓我們看一下廣義相對論基本公式。為了紀念愛因斯坦,我們把這個最重要的公式叫做愛因斯坦場方程。這個公式在廣義相對論中的地位就相當於牛二定律之於牛頓力學的地位一樣:


看不懂公式?沒關心,阿哲來幫你翻譯一下這個公式最主要的內容。公式的左邊,一大串,描述的是時空的彎曲(其中用到了黎曼曲率張量和曲率標量以及時空度規,什麼鬼?),而公式的右邊描述的是物質的分布(其中用到了能動量張量,什麼鬼?)。第一次聽不懂沒關係,這個公式也可以這樣來解讀:

時空彎曲的函數 物質分布的函數


簡而言之就是物質分布導致了時空的彎曲,演員的存在壓彎了舞台。這才是廣義相對論的精髓。那麼我們平時說的萬有引力怎麼體現呢?很簡單,演員壓彎了舞台,舞台的彎曲又影響到了周圍其他演員的表演。物質的存在改變了時空,這個改變又通過時空影響到了周邊的物質。

那麼黑洞是什麼情況呢?

剛才僅僅說到演員可以壓彎舞台,而其實演員如果太重還可以局部壓垮舞台。當時空曲率達到一定的階段就會出現光錐向內的極端情況,就會出現肉包子打狗有去無回的時空結構。或者說最快的速度光速都無法逃離一個物體的情況。當然這段話並不能說清楚,如果你有誌於繼續學習廣義相對論,接下來你要關心的就是如何去定量理解。

很簡單:


1、學會如何用四維的語言描述物質分布

2、學習微分幾何掌握如何描述時空曲率

3、爽快地看幾本相對論經典教材,比如Wald的廣義相對論

4、無窮無盡的爽快未來……

最近Springer出了一本Robert B Mann的新書《Black holes: Thermodynamics Information, and Firewalls》講到了黑洞的火牆,不妨作為學習階段的終極挑戰。


火鉗劉明
校長的知識包裹

為了感謝大家對萬門大學的滿滿的厚愛,在下給大家贈送一波福利,童哲校長主講的帶有鄉土氣息味兒的全套物理數學課程視頻,對沒錯,官網上沒有的哦。趕緊在評論留下你的郵箱,晚了就不能嘿嘿嘿了

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