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“狭义相对论”,“相对”于谁?你知道吗?

闻说新知
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教授,博导,从事航天总体工作,,热爱航天科普创作与传承工作。
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“一切都是相对的”,这是目前爱因斯坦理论的流行版本,但这是不对的;还有一些解释,更是绝对错误的,比如,狭义相对论是指出涉及的范围比较窄,适用于非常特殊的情况,适用于非常特殊的观察者。

针对这个问题,不妨通过百度寻找答案。维基百科定义:狭义相对论(英语:Special relativity)是由爱因斯坦等物理学家创立的一个应用在惯性参考系下的时空理论,是对牛顿时空观的拓展和修正。

这里又涉及到一个概念“惯性参考系”,再百度搜索:惯性参考系,也称为惯性参考系、惯性参考系、惯性空间或伽利略参考系,是不经历任何加速度的参考系。它是一个参考系,其中一个孤立的物理对象,作用在其上的净力为零的物体,被感知为以恒定速度运动(它可能是零速度),或者等效地,它是一个参考系,其中牛顿的第一运动定律成立。

维基百科的解释,至少很多人费解,尤其文科背景的读者,并且很难从中提炼出答案。下面给出一种通俗的解释。

现在,举一个受狭义相对论支配的例子,在遥远的太空深处的一个区域,远离所有恒星和行星(以及它们的引力影响)。想象一下(见图),在这个黑暗的宇宙空间里,有两个自由移动的空间站,没有任何加速或旋转。每一个空间站里都坐着一位观测者,并且都带着自己的钟表和测量仪,可以测量时间和距离。另外,他们都有一个设备齐全的物理实验室,在那里他或她可以进行各种物理实验,来探索或验证相关的物理定律。这就是爱因斯坦狭义相对论所说的观察者。他们身处一个自由的、而且没有加速参照系中,这种参照系通常被称为“惯性参照系”,所以也可以称他们为“惯性观察者”。

在这个例子里,爱因斯坦的“狭义相对论”就是针对这两位惯性观察者,当惯性观察者彼此相对运动时,他们看见的情景,既有相对的,也有是绝对的。于是,就可以得到答案了,侠义相对论的“相对”于谁?是相对于“惯性观察者”。

假如爱因斯坦狭义相对论只是针对深空环境有效,那就是研究理论学者的事情了。但是,狭义相对论也适用于地球上很多情况,比如,在真空环境下的观察者,另外还有科学家在粒子加速器中研究粒子对撞问题。事实上,通过狭义相对论推导出来的理论成果,都已经在实验室中获得了验证。

图 两个“惯性观测者”彼此之间的相对运动

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汨罗镇徐志雄
少傅级
已阅
2023-09-04
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