有谁懂爱因斯坦的狭义相对论和广义相对论？懂的话可不可以简单而形象给我解释解释?

Question

如题所述

Answer 1

广义相对论
general theory of relativity

阿尔伯特·爱因斯坦在20世纪早期发展的引力理论，于1915年提交给普鲁士科学院。因为引力是总体宇宙中占优势的力(多亏它极长的作用程)，这一引力理论也是宇宙学的理论，它是有关宇宙如何演变到今天模样的一切现代模型的支柱。

1905年发表的爱因斯坦狭义相对论处理的是匀速直线运动物体之间的动力学关系，它不涉及加速度，或者说不涉及引力，因此才把它称为‘狭义’(意指‘有局限的’)理论。爱因斯坦一直想把他的理论推广到处理加速度和引力，但他用了10年时光才找到一种对宇宙及其中一切事物动力学的圆满数学表述(当然不是10年时间全部给了广义相对论)。幸而，我们不必通过数学也能懂得爱因斯坦理论，因为用几何学和物理图像就能把它解释清楚。

确实，爱因斯坦理论的全部论点就是描绘一幅引力如何起作用的物理图像。艾萨克·牛顿发现了引力的平方反比律，却公开声称不能解释为什么引力遵守平方反比律(‘hypotheses non fingo’，译注：拉丁文，意为‘不需要假说’。)。广义相对论也认为引力遵守平方反比律(极端强大的引力场除外)，但说明了为什么应该如此。这就是爱因斯坦理论比牛顿理论优越之处，它实际上包含了牛顿理论，在除极强引力场外的一切问题上给出与牛顿理论同样的‘答案’。

两个关键性的物理见解将爱因斯坦引向了广义相对论；也有助于我们理解广义相对论的物理内涵。第一，爱因斯坦领悟到，如果有人从高楼顶掉下，他们在碰到地面之前根本感觉不到引力(忽略这一简单情景中的空气阻力)。他们是失重的——就是我们所说的自由下落。换言之，下落的加速度准确地抵消了引力，或者说，加速度和引力是等效的(1907年爱因斯坦首次以这种方式表述的等效原理)。

第二个物理见解将这种等效性扩展到引力对光的影响。现在他想像的不是从楼顶掉下的人，而是一间缆绳断裂、一切安全装置全失效、因而在井道中自由下落的无窗电梯。根据等效原理，电梯间内部的物理学家，尽管配备了物理实验室全部常用仪器，也无法辨别电梯间究竟是在加速走向与地面发生不愉快碰撞，还是在宇宙深处自由漂浮。

那么，对于从下落电梯间的一边照射到另一边的光束，会发生什么情况呢?在失重的‘房间’内，牛顿运动定律必定适用，光束必定从电梯间的一边沿直线传播到另一边。现在请想像，对电梯间外面的人来说，情况会怎样。假设电梯间 的墙壁是玻璃的，光束路径用电梯下落时经过的每一层的灵敏仪器进行测量。由于‘失重’电梯间和它内部的一切真正被引力加速，在光束通过电梯间的时间内，下落的电梯间已经增加了它的速率。光束从一面墙上的一个点出发后，要想击中第二面墙上与出发点正好相对的点，惟一的办法就是沿曲线传播，向下弯曲以配合电梯间速率的增加。而惟一能造成这一弯曲的东西就是引力。

于是爱因斯坦推想，如果引力和加速度精确等效，引力就必须使光线弯曲，弯曲的准确数量可以计算出来。这个结论并不完全出人意外：把光看成微粒流的牛顿理论也认为光束会被引力偏折。但在爱因斯坦理论中，预言的光线偏折在数量上正好两倍于按照牛顿理论的值。当1919年日食期间测量了太阳引力造成的星光弯曲，发现它符合爱因斯坦而非牛顿理论时，广义相对论被欢呼为一大科学胜利。

在那之前，爱因斯坦提供了一幅光线弯曲如何发生的物理图像。设想用一张拉紧的橡皮(就像一张蹦床的表面)代表空无一物的空间(严格说是时空)。在这样一个表面上，你可以用滚过表面的弹子代表光线；它们沿直线传播，适用欧几里得几何学规则。现在设想在橡皮表面上放一个重物(如一个保龄球)代表太阳。橡皮表面被重物压弯曲，如果将一颗弹子在表面上滚，其轨迹在沿重物周围曲线运动时将在‘太阳’近旁弯曲。这种曲线轨迹是变形橡皮表面的弯曲空间中的短程线，而曲面上的几何学规则是非欧几何学规则。爱因斯坦说，物质的存在引起四维时空发生与此等效的弯曲。于是，时空的曲率影响通过弯曲时空区的一切东西(包括光和行星)的运动。这种情景被总结成一句简洁的格言：‘物质告诉空间如何弯曲，空间告诉物质如何运动’。

关于这一图景，有一点很重要但有时引起误解。我们处理的不止是弯曲空间(不管上述格言如何说！)，而是弯曲时空。例如，地球绕太阳的轨道在空间形成一个封闭环，而地球被太阳的引力保持在它的轨道上。如果你想像这个封闭轨道代表着太阳引起的空间曲率，你就可能得出太阳周围的空间本身是封闭的结论——这显然不是真的，因为太阳不是一个黑洞，光(和其他东西)也能够逃离太阳系。

实际情况是，太阳和地球两者都在沿自己的世界线通过四维时空，这种描述是赫尔曼·闵可夫斯基在1908年最早提出的。在这一描述中，时间和空间在几何学上是等效的，两者通过数值等于3亿米每秒的光速相联系。所以，每一秒钟时间等效于时间方向上的3亿米。地球和太阳通过时空从过去进入未来的运动方向几乎相同，在四维时空中，地球绕太阳的轨道不再是一个封闭环，而是一个环绕太阳世界线的拉得很长的螺旋线。

我们现在从另一角度来看这个问题。光线从太阳传播到地球需时约8.3分钟，所以地球轨道的周长约52光分。但地球沿轨道运行一周实际花费的时间不是52分钟，而是一年(525,600分钟)——在这一时间内地球已经沿它的世界线在时间方向上足足运动了525,600分钟，这等于它在空间的等效行程的10,000倍和从地球到太阳的等效‘距离’的63,000倍。因此，地球绕太阳的四维‘轨道’是一根高度比半径大63,000倍的又长又细的螺旋线。

广义相对论做出了很多已经通过多次实验检验的预言，其中包括光线偏折、水星的近日点进动、引力红移和引力时间膨胀。它在所有检验中均大获成功，而最辉煌的胜利是它对脉冲双星观测表现的解释。广义相对论无疑是宇宙物质行为以及空间、时间和物质之间关系的完美而精确的描述。如果还能有所改进的话，那么任何更好的理论必须把广义相对论包括在内，就像广义相对论包括了牛顿引力理论一样。

当爱因斯坦用他的广义相对论方程式描述总体宇宙行为时，他惊奇地发现他那纯理论形式的方程式不允许宇宙成为‘静态’的——它们表明，随着时间的流逝，空间要么收缩，要么膨胀。可那时，在1917年，宇宙被认为是静止的。这导致爱因斯坦引进一个附加项——宇宙学常数——以保持宇宙静止。但几年以后，人们领悟到我们确实居留在一个膨胀宇宙中，宇宙学常数是不需要的。这一发现也可以看成对广义相对论预言的证实，尽管爱因斯坦本人最初进行计算时未能领悟到它的意义。

是广义相对论告诉我们宇宙是如何从一个初始奇点演变出来的，而这意味着宇宙确实诞生于一种超密状态——大爆炸。

Answer 2

爱因斯坦曾用极简明的例子解释“相对论”，即：一个美丽的姑娘伴你对坐一小时，你好像觉得只有一分钟般的短暂；要是你在火炉上坐一分钟呢?你又觉得像有一小时般地长了!这话一听，好像很正确，仿佛那就是相对的。但若是让我们试验一次，就明白是因为人愿意与美人对坐而不愿意坐在火炉上的缘故。

Answer 3

狭义相对论采用洛伦兹变换，指出测量和运动的关系，比如说“尺缩效应”，“时间膨胀”，都是表明以运动物体为参考系作测量得到的结果与静止参考系测量的不同。对于两个不同参考系，长度，时间，质量都是不同的，具体换算由洛伦兹变换给出。
由于物体的质量在接近光速时（由静止参考系给出）将趋向于无穷大，所以只以有限能量推进，是不能达到光速的。

广义相对论考虑的是由重力场存在的情况，采用四维时空，即把时间也当作与空间（xyz）相似的一维坐标轴；数学上以度归等形式给出。形象地说，就是在有质量物体存在的地方，空间将发生扭曲，而光总是从最短的路程上经过（或最长、不变），因此观察将显示光被“弯曲”了。（此处所说最短时四维时空意义下的最短，而在四维时空由度归表示的情况下，已经没有直线的定义；在三维空间观察是一条曲线。这个可以进行以下类比：在地球仪表面上的一段最短距离在三维来看其实是一条曲线。当然，把三维映射到二维亦然）光线的弯曲在爱因斯坦提出广义相对论一年多以后的日全食时候被星星的位移所证明。此后多次的观测都证实了这一点。
广义相对论预言了黑洞。其中有一系列比较复杂的推导过程，得到了静止和带电旋转的两种黑洞方程。（我不知道是不是有更多的类型）黑洞内部的光锥与外部不同，其时间轴可以向两个不同方向进行，但空间轴只能有一个方向（单向的xyz）（显然的，我们的时间轴指向一个方向进行，而没有反演）
“虫洞”的预言以及“时间倒流”在初步的广义相对论书籍中没有提及。

与狭义相对论不同，广义相对论的学习和理解需要非常深的数学基础，并且由于与我们平日习惯的不同，对广义相对论的理解更大程度上是从数学上进行的。

参考资料：参见：力学；广义相对论；参见其它词条

Answer 4

你和一个MM在一起,1小时你感觉只要1分钟,而叫你在阳光下暴晒1分钟,你感觉1小时了.

Answer 5

真正懂的人很少，但懂一点的人应该不少的。
我学过了好一段时间了，大概一个学期多，只懂皮毛，
所以我觉得在这说清楚是不太可能的，还是买本书看看吧。

Answer 6

狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原理。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想，但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，也不存在绝对同一的时间，所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是相对性原理，严格地说是狭义的相对性原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。 什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢？一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度，但如何没出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间，空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。 光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速不是无限大，这样就产生一个新奇的结论，对于静止的观察者同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝对空间框架。 相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题，运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。 爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式：E=mc2，质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用
爱因斯坦的广义相对论认为，由于有物质的存在，空间和时间会发生弯曲，而引力场实际上是一个弯曲的时空。爱因斯坦用太阳引力使空间弯曲的理论，很好地解释了水星近日点进动中一直无法解释的43秒。广义相对论的第二大预言是引力红移，即在强引力场中光谱向红端移动，20年代，天文学家在天文观测中证实了这一点。广义相对论的第三大预言是引力场使光线偏转，。最靠近地球的大引力场是太阳引力场，爱因斯坦预言，遥远的星光如果掠过太阳表面将会发生一点七秒的偏转。1919年，在英国天文学家爱丁顿的鼓动下，英国派出了两支远征队分赴两地观察日全食，经过认真的研究得出最后的结论是：星光在太阳附近的确发生了一点七秒的偏转。

参考资料：http://www.iac55.cn/thread-735-1-4.html