人人能懂的相对论

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《人人能懂的相对论》用中学物理读懂相对论， 一堂课重构时空观。

我们真能像科幻作品中的主人公那样穿越时间改变历史吗？地球绕太阳转动真是因为牛顿所说的万有引力吗？苍茫宇宙中恒星的命运会怎样走到尽头？核电站产生的巨大能量究竟从何而来？原来看似纷杂的世间万物都可以用简单的自然法则来解释。这次，我们不需要高级的数学计算和大量的知识储备，仅从中学物理和勾股定理开始，就能见证相对论的诞生过程，发现宇宙运转至今的奇妙逻辑。就让本期新书带你进入爱因斯坦的物理革命，用一堂课重构时空观，去经历日常生活难以感受的深刻理念，去体验科学世界精彩纷呈的无限奥秘！

狭义相对论

光速、时间和空间之间的关系

光速是宇宙中任何事物都不可能超越的极限速度。如果超光速移动，就会打破因果律。
空间和时间是相对的。如果速度足够快的话，空间会被压缩， 时间会变慢。

推导过程

继法拉第发现电磁感应现象后，麦克斯威尔发现电磁波的速度就是光速c。
迈克尔逊和莫雷在任何方向上都没有观  察到光速的差别，表明光速c是一个常量。
在光速c恒定不变的前提下，爱因斯坦  利用光钟的思想实验，推导出了狭义相对论。
在光钟的实验中，我们可以通过勾股定 理，计算出动系相对于静系的时间膨胀系数，即相对论因子y。

四维时空

时空混合体

因为速度可以带来时间和空间的改变， 所以时间跟空间可以放在同一个概念中。

理论支柱

不变性：动量和动能守恒定律。
月球对地球的引力导致潮汐，而潮汐的摩擦 力导致地球自转速度减慢，由于地月系统动 量守恒，地球失去的动量传给了月亮，使月 亮在环地球轨道中加速运动，并以每年4厘 米的速度远离我们。
因果性：起因和结果的先后顺序不能够反转。
距离：把时间和空间都量化为距离。
时间距离ct、 空间距离x和时空距离s。

时空距离s是恒定的

假设： s²=ct² ±x²
如果s²=ct²+x², 会形成圆形时空图，时间变  成可逆的，这违反了因果律，因此是不成立的。
如果s²=ct²-x², 会形成双曲时空图，时间不能 回到过去，不违反因果律，因此是成立的。这 就是闵可夫斯基时空。

质能转换公式 E=mc²

推导过程

动量守恒公式
p=mv  (三维空间)
p=ymc  (四维时空的时间方向)
能量守恒公式
E=Ymc²≈mc²

应用

核裂变
建造核电站
测定地质年龄
给地球提供热量
核聚变
恒星的燃烧：质量较小的恒星燃烧到尽头会 成为白矮星，质量较大的会成为中子星，质量最大的会成为黑洞。

广义相对论

爱因斯坦的灵感来源，为什么所有的物体都以相同的加速度向地面自由坠落。
地球为什么绕太阳公转，牛顿的解释：受万有引力定律的影响，太阳的拉力将地球固定在现在的圆形轨道中。
爱因斯坦的解释：太阳巨大的质量使它附近的时空发生扭曲，才使地球看上去是在绕去圈。

实验观测

爱丁顿等人通过观测日全食，证明了太阳周围的时空是扭曲的。
贝尔等人捕捉到脉冲星非常规律的信号。
脉冲双星成为验证广义相对论的最佳环境。

应用

调整GPS 的时间偏差，实现精确导航。

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