相对论公式的推导

作者&投稿:葛枝 (若有异议请与网页底部的电邮联系)
“相对论质量公式”是怎么推导出来的?~

相对论质量公式m=m0/√(1-v^2/c^2)有多种推导方法,其中一种可参考如下分析

S’系(其中静止一小球a’,质量m0)相对S系(其中静止一小球a,质量m0)沿x轴正向以速度v运动,

设a’相对S系的质量为m,根据系统的对称性,a相对S’系的质量也为m;

假设两小球碰撞后合为一体,相对S’系速度为u’,相对S系速度为u,在两参照系中动量守恒定律都成立,S系:mv=(m+m0)u,S’系:-mv=(m+m0)u’。

由速度合成公式,u’=(u-v)/(1-uv/c^2),而根据系统的对称性,u’=-u,可得:(v/u)^2-2v/u+(v/c)^2=0,解得:v/u=1±√(1-v^2/c^2),由于v>u,故取v/u=1+√(1-v^2/c^2)。

所以m=m0/(v/u-1)=m0/√(1-v^2/c^2).

一 观测的组成,
有关运动物体的观测包含几个方面。
一个是物体本身的运动,这理论上是矢量,有位置,位移,速度。
另一个是有关这些量的信息,这信息理论上也是矢量,有发出点,有信息路径,有信息行进速度
最后观测到的是啥?是这两组矢量的和,矢量和。
相对论是有关这两组矢量该怎么合成的一门学科。
这就是相对论,
本质上讲,相对论是研究观测扭曲与观测补偿的。
二 统一参照物基准的选择,与统一参照系的建立

这个参照就是光速C。
麦克斯韦理论证明,“光电磁波孤峰波速发出后,独立于波源,波速不变,恒为C。”
简称“光速独立不变”,懒人俗称光速不变(这俗称极不严谨,但业内人士都懒,很少勤快的次次说全称)
基于这个发现,爱因斯坦忽发其想,可不可以以这个恒为C的东西作为基准呢?

于是世上有了相对论变换,又称艾氏变换,艾氏变幻。

通过相对论变换,爱因斯坦重建了一个艾氏空间,这个空间以C为速度基准。让C等于零。
C=0
这样一来牛顿空间的静止物M,就有V=C-0=C

也就是规定在艾氏空间里艾氏速度V艾=C-v
于是物体M的动能有E=1/2*Mv∧2。
1/2是个纯系数,在运算中大家都有,一消就没了,不影响体系计算。
比如E1+E2=E3 1/2一消就没了
所以有E=M(C-v)∧2=M(C-0)∧2
E=MC∧2

这就是牛顿静止物在艾氏空间的动能。

牛顿静止物相对于艾氏空间基准C的相对速度为C.。
对于光子,假如有的话,
光子的E=MV∧2中V=0
所以E=M*0∧2
0的平方还是0
E=MV∧2
则M=E/(V∧2)
M=E/0

数学里0不能做分母,这式子没法算。
所以光子的质量称为“空格没有”


这是相对论的简易版。

说简易是因为其实应该用更复杂的矢量表示,
这只是个大概。

关于静质量,和动质量。

静质量和动质量都是质量,但是不一样,原因是在测静质量时,
F=Ma
M=F/a
实际测量是依据F和a的实际采测值计算出的。
而在动态中,F和A的实际采测值要受到信息矢量本身的加和,产生扭曲。
所以动质量同样是用M=F/a 但明显不是一码事。


三 相对论于原子弹的关联
相对论于原子弹没有物理学意义上的太多联系。
原子弹释放的能量,是另一码事。
但是E=MC∧2大大简化了核子物理中混乱的参照系换算,大大减轻了计算的工作量、

记住一个原则光速是0就OK了,别人都跟光速找准,而不用管某粒子相对张三速度为几,相对李四速度为几,李四有没有加速度是不是惯性系这些牛顿时代让人头大的混乱。

这套体系与热力学中的绝对温标开尔文温标,有几分类似。

在实际运算中这套简易相对论是远远不够的,
每个相关物理量都是矢量运算

这个简易版只是入门。

相对论是一套炫目的变幻,但大自然就是这样炫彩,没办法。
相对论更像是个眼镜店,研究的就是真相的变形扭曲和补偿,习惯了就好。
真相是啥其实不是它的研究范围,真相爱是啥是啥。那不是眼镜店的事。
尺缩时延,就是眼镜片看东西变形了多少
变形是必须的谁也绕不过去,但有了相对论你就可以科学脑补。
(卢客)

相对论中有很多不同的公式,但是最重要的就是相对论因子的推导,所以我们先看一下相对论因子的推导:

 

首先,在相对论因子之前必须明确三个前提条件:

1、相对任何惯性系,光速不变。

2、任何惯性上上的物理规律是等价的,即任何物理规律都有着相同的形式。

3、任何运动都是相对的,可以这样理解“没有参照系时,任何物体在宇宙中的“绝对速度”都是0”。

 

上图中A是相对O以速度v运动的惯性系。B是A上的一点。

在A运动到与O重合的时刻,一光子从A射向B。

在A看,光子的路径是ct' ,在O看,光子的路径是ct 并且在t 时间内A 移动了vt的距离。

三个长度的关系是:(ct')²+(vt)²=(ct)²

解出t' 就得到:t'=t×√(1-v²/c²)。

解出t 就得到:t=t'/√(1-v²/c²)。

这就是所谓的洛伦兹变换,1/√(1-v²/c²),或者是√(1-v²/c²)  就称为相对论因子(是分子还是分母,那只不过写在等式哪边的问题)。

 

从公式中看是t'变小了,但是从图上就可以发现,不论v是任何值,都不会影响ct' ,受v的影响的结果只是ct 。这说明不是因为有相对速度t'变慢了,而是因为相对速度使测量到的t 变快了。

但是因为O是参照系,一切结论要以参照系上的值为准,所以只能说是t' 变慢了。其实是相对t 来说慢了。而且要注意的是,这是O测量到的A系统的时间,不是O系统测量自己的时间。

 

这一点必须搞清,O测量自己的时间不会出现变化。否则就会出现混乱,以为O测量到的是自己的时间,那么以A为参照系时就会再一次对O的时间进行变换。这就走进死胡同了。

 

有了这个公式以及对这个变换的理解,其他公式大部份都可以推导出来了。

 

其他的公式还有引力公式及质能公式,这些公式是爱因斯坦先从物理意义的角度上分析得出的“预言”,然后再经过实验和数学推导进行证明的。数学证明太复杂,太多的公式都要做成图片才能发上来,所以我们不详细写出来了。

 

我们只从物理意义上解释一下引力公式和质能方程:

引力公式:

很多人说相对论推翻了经典物理学,这是一个天大的误会,相对论是站在经典物理学基础上,用相对性原理解释和修正经典物理学中由于相对性原因引起的误差,使经典物理学理论能够把就用领域拓展到更广域的宇宙空间。因此相对论的前提就是一切物理规律在任何惯性系上是等价的,如果把物理理论都推翻了,还如何等价?

我们知道经典物理学中非常重要的一个公式 F=ma,这是力、质量、加速度之间的关系式,要相对论中,这个公式依然成立,但是就用领域拓展到了更广域的领域。a=F/m,公式是等价的,但是这样写的意义不一样了,加速度与“单位质量所受的引力”是等价的,即加速度是引力场强度的值。或者说,加速度是引力场强度的外在表现。

如果你熟悉笛卡尔坐标,并能非常自如的进行各种变换,那么你会发现,引力场强度在数学上还有另一个叫法,就是“弯曲”。空间的“弯曲度”=引力场强度=加速度。(如有兴趣关于空间弯曲的问题可以另外专门进行讨论,因表达起来篇幅比较大,就不在这里说了。)

 

质能方程:

还是起于F=ma,根据经典物理学理论,力×距离=功,所以公式两边同乘距离S就是功。

功就是能量转换的数量,能量全部转换成的功的数量就是全部的能量。

FS=maS,因为:aS=v²,所以:E=mv²,但是前面说了,单独一个物体不存在速度,所以这里速度必然是一个具有速度量纲的常数。也就是说相对任何物体都不会改变的速度,那就是c,所以预言质能公式是E=mc²。这个预言提出很多年之后才被数学家们以及核物理学实验证明。

 

其他预言:

物理学的很多研究过程都需要用量纲分析来推理和实验证明。相对论的理论也不例外,很多(不代表所有的)定理和定律都是先提出预言再进行验证得到的。

时间的相对性:有人以为时间的相对性仅仅是通过洛伦兹变换得到的结论,其实前面也看到了,洛伦兹变换不过是把测量到的数据变换为对方的“真实数据”,并不代表时间真的变了。

比如我们假设一个人坐在路边椅子上看书,

相对于他坐着的椅子,他的速度可以是0,

相对于旁边走路的人,他的速度可以是1.3米/秒。

相对于路上跑的汽车,他的速度可以是13米/秒。

相对于刚起飞的飞机,他的速度可以是130米/秒。

相对于飞行中的炮弹,他的速度可能是1300米/秒。

相对于某国际空间站,他的速度可能是13000米/秒。

相对于正掠过的流星,他的速度可能是130000米/秒。

……

事实上他可以有无数种相对速度,要是相对速度能改变时间,他的时间如何改?他听谁的?

其实,他的时间不随任何系统而改变,他在看书,有没有人走过关他什么事?有没有飞机关他什么事?有没有流星关他什么事?

每个相对他速度不同的系统都会看到他的时间不同,但是他的时间不变。就像房子的大小不变,而每个距离不同的人看到的大小都不同,但不关房子的事。

 

真正让时间发生变化的是引力场(或者说加速度,或者说时空的弯曲):

从速度的量纲公式知道:v=at,那么t=v/a,注意这是量纲分析,不是数值计算。

时间由速度和加速度决定,而单独一个物体不存在速度,这里的速度必须用一个相对任何物体都不变的恒定速度来代替,那就是c,所以从量纲角度上说:时间与加速度成反比。即t=c/a,这是量纲式,具体的数值可能需要经过实验得到一些常数和其他的因数。

但是从量纲关系上看,加速度(引力场强度或空间的弯曲)是造成时间发生改变的根本原因。

 

奇点:

人们把宇宙中引力场强度无穷大的地方称为奇点。

从时间的量纲分析式中看出,当加速度(或引力场强度)为∞时,时间静止。

 

虫洞:人们把宇宙中引力场强度为0的地方称作虫洞。

从时间的量纲分析式中可以看出,当a=0时,时间为无穷快。这是人们期待“穿越时空”的奇思妙想的来源。因为分母是0时无意义,所以这种点上的情况有可能是我们无法想象的。

 

但是如果我们真正理解了时空的弯曲(引力场或加速度)时,我们就知道了,其实我们每时每刻都在进行着时空的穿越。但是,时间不会倒流。




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