题目

求广义相对论的通俗解释,E=mc²的原理是什么.

提问时间：2020-11-03

答案

这个必须要专业知识的
相对论没有基本公式,只要知道了基本假设,就可以得到所有的公式
狭义相对论：解决了惯性参考系的坐标变换问题,就是不同的速度的观测者观测同一个过程,会发生什么.
可能你觉得惯性参考系这个名词太陌生,那么,我就通俗一点说咯
就是说,站在地面上的人,看运动的火车上的事情,是什么样子的.
在爱因斯坦之前,大家都认为这是具有等时性和等长性的.什么意思呢?
等时性是说,火车上发生两件事情的时间差,和火车外看到这两件事情的时间差相同.例如,你在火车上计时,看小球从释放到掉落到地上所需要的时间,和你在地面上计时,从看到小球释放到看到小球落地（不计光速哦）的时间,是一样的.
等长性是说,火车上一个东西长一米,你在地面上站着看到它的长度也是一米.
这两个性质大家一直坚信不疑,直到有了麦克斯韦方程组.为什么呢?因为麦氏方程组是可以计算得到光速的.我们知道,在匀速运动的火车上（假设没有任何振动,火车非常平稳）的人,如果把窗帘都拉上,不论用什么方法,做什么物理实验,他都是无法知道他是不是在移动的.地球转地如此之快,我们也感觉不到就是这个原因,这叫做相对性原理,就是说所有惯性参考系内遵守的物理原理没有任何差别.
可是这下就搞了,根据麦氏方程可以计算光速,光速和发射光的物体的速度无关.再根据相对性原理,所有的参考系中的光速都是相同的,也就是说,同一束光,在火车上的仪器测出的速度和在地面上的仪器测出的速度,应该是一样的.
可是这就不能保证等长和等时性了.比如,火车上光和火车运动方向相同,从a走到b点长度l,用了t秒的时间,如果等长等时的话,从地面上看,这个光走了l+vt的长度（因为还要加上火车走的距离）那么,在火车上测得光速 l/t ,在地面上就是l/t + v ,不一样了.
要是其他东西的速度还好,并没有一个物理规律可以确定其速度.可是光很讨厌,麦氏方程确定了它的速度就应当是一个值,不变的,不管发射物体的速度是多少.
好了,现在这样三个物理学基本的部分冲突了
1、相对性原理
2、麦氏方程组
3、等长等时性变换（满足这个性质的变换叫做伽利略变换,可以查一下,不理解的话,就看上面我给你写的等长和等时的解释）
好了,爱因斯坦来了,他认为,1、相对性原理肯定是对的,2、麦氏方程也是对的,那么不好意思,3、等长等时性就是错的.其实在爱因斯坦之前,洛仑兹就找到了一个不等长等时的变换叫做洛仑兹变换,可以保证麦氏方程一直成立.
所以爱因斯坦就选择了这个变换作为描述世界的规律.然后从这个变换出发,推导出了一系列结论,最著名的就是 E=mc^2,这个结论是利用质量的洛伦兹变换得到的.就是一个东西跑得越快,看起来它的质量就越大,相对于静止时,其额外获得的动能和多出来的质量就满足E=mc^2,而这其实是所有能量和质量的变换关系.至于怎么精确推导,你可以去看力或者加速度的洛伦兹变换.
但是这时候,还有个问题要说一下.如果我们认为伽利略变换是错的,那么牛顿定律就错了.其实是这样,牛顿第二定律在高速下失效,因为质量不再是定值.这个可以用E=mc^2来修正.最后,爱因斯坦确定的描述世界的基本规律是:
1、相对性原里
2、麦氏方程,修正过的牛顿方程（不修正就错了）
3、洛仑兹变换（就是一种不等长也不等时的变换,可以百度一下看看）
这就是狭义相对论的基本内容.这个东西被称作相对论,就是因为爱因斯坦推导的时候坚信,相对性原理一定是对的.
广义相对论就麻烦一点,它是解决引力问题的.
刚刚说了匀速平稳的火车上拉上窗帘你就完全无法知道你在往哪里走了,这叫做相对性原理.物理一点的描述是,所有惯性系里面遵守的物理规律完全相同.
那么如果不是这样呢?例如拐弯的火车,我们就能感觉到火车在往哪里拐,因为有往外“甩”的感觉.这是因为有加速度.
可是,如果恰好有引力抵消这个“甩”的感觉的时候呢
比如,神州飞船上天,绕地球运动,应该很快,应该有“甩”的感觉,但是恰好,这个“甩”的感觉与地球引力抵消了,所以宇航员觉得失重,既没有向外甩也没有向里的引力.
爱因斯坦认为,这个两种作用应该是完全抵消的,就是说,神州飞船上的人满足的所有物理规律也和不动的人一样.
好,我们比较一下哦,下面三种情况下遵守的物理规律一样.
1、完全静止的物体
2、匀速运动的物体
3、离心力恰好抵消引力的物体
因为前两种一样,所以我们说,没有绝对的运动和绝对的静止.就是说,既然大家遵守的规律都一样,那说谁是静止的就行了,反正无法分辨.
可是第三种呢?爱因斯坦说了,这第三种嘛,其实和第二种是一样的.因为引力是不存在的,物体感受到引力只是因为大质量物体旁边的空间是扭曲的,你在这个空间里做匀速运动,在外面看来就是加速运动了（例如圆周运动或者落体运动.）在扭曲的空间里做匀速运动,就好像是在平坦的空间里做受到引力作用而导致的圆周运动或者落体运动,这就是广义相对论的基本内容.
用空间扭曲代替引力来解释为什么地球围着太阳转,就是广义相对论的基本内容了.其实它是基于对相对性原理的扩展
原本的相对性原理只是针对 相互之间是匀速运动关系 的两个系统做出解释,认为他们遵守相同的规律
爱因斯坦把它扩展到了 受到引力作用做变速运动 的坐标系,认为他们也和上面的系统一样,遵守相同的规律.
因为是对相对性原理的扩展,所以叫做广义相对论.
其实,相对性原理和相对性原理的扩展,是地球不是宇宙中心的必然推论.
地球不是宇宙中心,那么它肯定在动吧,那么地球人所研究出的规律怎么从来不能给出一个确切地速度说我们到底动多快呢?这就是因为狭义相对论所用到的相对性原理,不管你动多快,遵守的物理规律相同,所以地球人无法知道自己是不是宇宙中心.
可是,既然你不是宇宙中心,你总归是在转吧,为什么我们感受不到你的转动呢?自转还好,能感觉到,公转也行,能根据潮汐感觉到一点,可是绕银河中心的旋转呢,银河绕更大星系中心的旋转呢?这个旋转超级快,应该有超强的离心力的呀,怎么我们还是感觉不到?这就是因为,相对性原理可以推广到受到引力作用而运动的坐标系上.
好,这就是相对性原理和相对性原理被爱因斯坦的扩展,和狭义、广义相对论了.
说实话,给一个没有很大基础的人,一句话能解释,就不是曾经世界上只有几个人能懂的相对论了.
如果真要一句话解释的话,
狭义相对论是坚信相对性原理（匀速运动的和静止的满足完全相同的物理规律）是对的,其他理论都要修正（结果修正了坐标变换,从伽利略变换修正为洛仑兹变换,又修正了牛顿第二定律的质量）,所得到的理论.
广义相对论是根据扩展的相对性原理（受到引力作用沿引力决定的轨道运动的物体和静止的物体以一样满足相同的物理定律,所以它相当于是在扭曲的空间里面做匀速运动.）推导出的一套规律,主要是针对引力的规律