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理解相对论的重要的”前三关”

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国内曾经和不断继续涌现的反相对论者, 往往是因不断地卡在相对论的”前三关”没有过上。

相对论的”前三关”, 其实需要的是伽利略的相对论就够了。伽利略的相对论延伸下去, 才是狭义相对论. 狭义相对论延伸下去,才是广义相对论. 可惜很多人连伽利略相对论那”三关”都没有过。

第一关: “垂直”的相对性。

“垂直”与否是相对的, 这个基本的道理要入门。

你在奔驰的车上, 垂直向窗外扔出一块石头, (忽略空气阻力), 你看石头的轨迹是垂直于车道飞出了窗外, 那么, 地面上的人看石头的运动的轨迹, 却是不垂直于车道的。

飞行员对目标仍炸弹, 都要提前扔。 飞行员看炸弹是”垂直”于飞机和地面下落的；而地面上的人看炸弹, 是斜着飞的，是不垂直于飞机和地面的。因为炸弹下落的同时还有个跟随飞机方向的惯性运动分量。

垂直性的相对论, 在牛顿, 伽利略那里, 也是基本的知识。如果中学课堂上老师没有讲明白这个, 那么是基础教育的悲哀。

可惜的是, 大量的反相论者, 就是这个坎都过不去而造成的。他们常常自以为导出了一个在原来参照系垂直而在新参照系不垂直的”矛盾”, 就推翻了”相对论”.

“垂直”的相对性, 是推导洛伦兹变换的基础之一。 缺乏这个相对性, 不但狭义相对论, 就连伽利略都难理解。

第二关: 直线与曲线的相对性

在奔驰的列车上拍皮球, 皮球的轨迹,在列车上看是直线, 而在地面上看, 是一个接一个的抛物线。

争论皮球的轨迹到底是”直线”还是”抛物线”, 是没有意义的。 这是个相对性的问题。 不指定参照系, 就不会有答案。

第三关: 同一地点的相对性。

在飞驰的地铁上拍皮球，在列车坐标看来，皮球每一次都落在列车地板坐标的同一地点上；而在站台上看，皮球每一次都落在地面坐标或铁轨坐标的不同地点上。

皮球每次落到最低点的位置, 到底是在同一个地点,还是不在同一个地点呢?

这同样是个相对性的问题。 在一个参照系看是同一地点发生的事情，在另一个参照系看却不是在同一个地点发生的。

这三个问题都还没有涉及狭义相对论,都是伽利略范围的相对性问题. 但是, 垂直的相对性是推导狭义相对论洛伦兹变换的基础之一,同一地点的相对性又是爱因斯坦的同时性的相对性的基础之一。到了狭义和广义相对论那里,越来越多的东西成为了与参照系有关的相对的东西, 但这是舍车保帅—保住了一个近似绝对的东西:那就是物理定律的张量方程形式. 物理定律才是绝对的:不以参照系为转移—它无论以哪个参照系预言物理事件, 都是可以成立的.

掌握这三关, 应当是中学物理的基本内容之一。 可惜的是, 我们的中学教育似乎在这方面不很成功, 导致大量的“反相者”由于没有掌握这些最基本的常识（其中还包括石油钻探领域的教授,博导）, 而盲目质疑爱因斯坦的相对论。其实他们的问题停留在伽利略相对论里也过不了关。

此文于2009年7月30日星期四11:05 am发表于“科普文章”分类下。您可以通过RSS 2.0 feed来跟踪此文的所有评论。您可以留言，或者从您自己的网站trackback。