2楼老规矩，喂狗！

召唤术
@我心中的希特勒 @殇秦月 @qq610470924 @友爱守护者 @板凳王朝

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留名，顶贴

话说狭义相对论我们已经进行过科普，没看过不明白的同学可以看这贴：
http://tieba.baidu.com/p/4077277715?pid=76692369713&cid=0#76692369713
今天，让我们再来看看广义相对论的诞生及推导原理吧！
首先，回顾下狭相的基本内容:
光速无论如何也不变，是吧？那正好，咱拿它当公设；物理定律在匀速直线运动系都一样，没问题吧？咱也拿它当公设。他用这两个简单的公设推来导去，导出一堆惊天秘密：
　　质量可以随运动变化，速度越快，质量越大。
　　时间可以随运动变化。速度越快，时间越慢。
　　空间可以随运动变化。速度越快，距离越短（距离是空间尺度哦）。
　　任何有质量的物质或信息都不可能超过光速!
　　能量和质量是一体的！
　　时间和空间也是一体的！
　　闵可夫斯基老师见小爱同学玩得有板有眼，深以为然，一时技痒难挨，用优美的数学把这些思想表达了出来，四维时空横穿六合，纵贯古今。
　　这个理论叫做狭义相对论。它所发掘的这些秘密，只有在高速运动，也就是近光速运动下，才能显现出来。
　　低速运动下，它的结论和牛顿力学保持高度一致。所以，牛顿力学只是狭义相对论在低速下的一级近似。

话说1905年，爱因斯坦挑战物理帝牛顿成功，成功地把自己晋级为挑战对象，被各种挑战至今。
挑战者中有数学家、物理学家、哲学家、神学家、政治家、党棍、流氓、民科等，但无论是正规军、游击队、预备役，还是绿林好汉、江湖郎中、大仙半仙，至今无一挑战成功。
不同的是，业内挑战者越来越少，业外挑战者却前赴后继。
　　这些业外挑战者的结论各种不同，但有一点惊人地相似，那就是都宣布自己成功了。他们深信，人有多大胆地有多大产，用嘎子哥就能摆平蝗军，只要把脑袋埋在沙子里，宇宙就和谐了。读少想多，概莫如是。当然这些都是后话，不提。
　　这里要说的是，为什么会有这么多人来挑战呢？抛除追寻更靠谱理论的业内人士不说，单说其他人士：
　　一个重要的原因是，一旦挑战成功，金钱美女就会像滔滔江水连绵不绝，荣誉地位就会像黄河泛滥一发不可收拾。
　　另一个重要原因是，狭义相对论的结论与我们的日常经验太不相符了，你不承认它吧，理论与实际闹别扭；你承认它吧，自己和自己闹别扭。
　　怎么别扭呢？
　　牛顿理论体系跟我们的日常认知和经验相符得很好，所以《原理》诞生后，它迅速得到各方面的广泛接受和认同，大家看了，是“原来如此”的感觉，而狭义相对论与日常经验相悖，人们看了是“岂有此理”的感觉。
　　狭义相对论颠覆了牛顿时空观，用全新的时空关系、质速关系、质能关系，向人们揭示出一个全新的世界。
　　它成功地解释了为什么光速对所有观察者都是一样的，还成功地描述了当物体以接近于光速运动时会发生什么。这给当时陷入尴尬的理论物理学界开启了一扇光明之窗。
　　尽管多数人并不理解它，但它与实验、观测相符的那样好，由不得你不信。
　　然而，即使与观测相符，也不是全盘通吃的。
　　因为它还存在一个很大的问题：它和牛顿引力理论不相协调。
　　为什么一定要和牛顿引力理论相协调呢？
　　因为描述自然、宇宙问题，是离不开引力的。而那时，在引力理论方面，牛顿引力论依然是最牛的——与观测最相符。
　　狭义相对论在解释运动、时空关系等方面更靠谱，而牛顿理论在解释引力方面更靠谱。
　　什么意思呢，打个不太恰当的比方，人家牛顿理论是套装，虽然上身很紧，扣子都系不上，但好歹穿上也能出门；你狭义相对论虽然大方合体，雍容华贵，但是只有上衣，没有裤子，想出门还得混搭牛顿引力论的裤子。
　　所以呢，如果狭义相对论与牛顿引力理论相协调，它们就可以相洽为一个“统一的理论”，大家都能站住脚，混搭成功，皆大欢喜；如果狭义相对论与牛顿引力理论不相协调，也就是说爱装和牛裤不搭，那就必须建立这样一套引力理论：它与牛顿引力论有一拼、与狭义相对论有基情。这样，狭义相对论才能站住脚，而牛顿理论就退居二线，甘当新理论的“一级近似”，发挥余热。
　　那么，它们搭不搭呢？当然不搭。
　　因为这两个理论的基础概念不同，比方说空间啊、时间啊等等，这是根子上的不搭，就好比羊皮大袄ＶＳ齐B小短裙。
　　但当时的物理还真就只剩这两件东西可穿了，一件都不能少。
　　尴尬是尴尬了点，总比树叶强。有人开始忆苦思甜。这虽然是一种有效的心理治疗手段，但是，它解决不了现实问题。
　　根据牛顿理论，物体间的引力，其大小与距离关系密切，但它们的传递与距离无关，如果移动一个物体，另一物体所受的力就会立即改变。
　　这就是说，引力的传递速度是无限的（超距作用），这与狭义相对论的光障限制相矛盾。
　　假如太阳突然消失，牛爷认为，地球立马就得脱轨，而小爱认为，地球至少得８分钟后才能有反应，８分钟以内，它还是绕着原来的轨道公转。
　　看，分歧不是一般的大。
　　爱因斯坦还发现，除了与牛顿理论闹矛盾之外，狭义相对论自身还存在一个较大的BUG，说起这个BUG的根源，还是在于它没有彻底解决引力和参考系问题。

可以插楼吗？

我也插一个

对啊，他俩一起自由下落，加速度一样，所以彼此看对方是没有什么加速度的！
　　这就存在地位特殊的参考系了——这个参考系的物理定律与别处不同，为什么？！凭什么？！！搞什么？！！！要知道，搞特殊化，是违反宇宙规律的，不管你是参考系还是参谋长考官系主任。狭义相对论对此也没有给出解释。
　　存在特殊参考系，就破坏了自然的美感，不符合科学发展观，必须淘而汰之。科学规律应该是普适的，而不应该在这儿看是这样，在那儿看又是那样。
　　也就是说，物理定律应当与观测者的运动状态无关。
　　对于狭义相对论的局限性，爱因斯坦非常清醒，不论从美学出发，还是从科学出发，他都希望物理学彻底摆脱“特殊参考系”这个大BUG的困扰。
　　于是，刚刚建立狭义相对论的小爱，没等别人醒过神来，就率先发起了对狭义相对论的挑战。
　　俯瞰地球，大家忙着理解狭义相对论时，爱因斯坦却忙着构建广义相对论。
　　这个天才的思想远远地走在了人们前面，他的目标很清晰：给出更概括的理论，它对所有观测者都是一样的，不论运动状态如何。
　　但怎么走，才能接近这个目标？没谱。
　　知道什么是痛苦吗？眼看着，心想着，手够不着，这就是痛苦。

　痛苦的爱因斯坦紧紧攥住那个抓手：
　　引力。
　　就是引力！引力之于宇宙，胜过钱之于人，它不是万能的，但没有它是万万不能的！
　　星空灿烂。
　　爱因斯坦深邃的目光探向更深邃的宇宙，一个声音在胸中回荡：必须要考虑引力，不仅要能解释时间，还要解释引力！
　　可是，从何入手呢？没有资料可供翻阅，没有实验可供参考，没有经验可供借鉴，甚至，没有教训可供吸取……
　　思考，还是思考，只有思考！
　　思想是自由的，然而，它难以飞跃我们自身经验认识的壁垒，冲出去，就是另一番天地！但，这要思想的翅膀够硬才行！
　　一个思想实验，可以连续做几天，几个月，甚至一年、两年……伯尔尼专利局四楼八十六号办公室里，已升为二级技术员的爱因斯坦完成本职工作后，眼望窗外，外表沉静如水，内心战火纷飞，无数次冲刺，转眼又陷入重围，暗夜中的那颗星，似触手可及，又似远隔几十亿光年。
　　灵感，就像梦中情人，又像那枝头灵雀，你知道她就在那儿，你为之辗转反侧、魂牵梦萦、痴醉癫狂，却无法触及，那般滋味啊，有词联为证：
　　卜算子?枝头灵雀
　　入眼即入心，待近如何近。只恐惊飞杳渺时，举目空遗恨。
　　忽来亦忽去，将寻为底寻。尤惜巧点灵犀处，开怀更动人。
　　等等！如果我从这扇窗跳下去会怎样？在下落的过程中，如果我被一个盒子封闭起来，盒子随我一起下落，那么，我无法判断自己是否在下落，但这时，引力在哪？
　　亮了！就是它！
　　牛郎织女呢？还没落到地面？那太好了，麻烦你俩回去重新降落一次。
　　这次我们准备了一个电梯，电梯地板上放一台秤，牛郎织女就站在秤上，看了一下秤的读数，体重和两千年前一样正常。思念，就是最好的瘦身运动。然后，我们让电梯向地球作自由落体加速运动，会发生什么呢？
　　
　电梯向地球自由下落，电梯内一切呈失重状态，引力消失。
　　电梯内，一切如旧，牛郎和织女处于同一参考系，看对方以及其他物体都是静止的。
　　但有一点不同，他俩发现，随着电梯的下落，秤的读数快速归零，电梯里所有物体，包括秤的重量都消失了，现在，织女MM拔下发髻的金钗，松手，金钗飘在空中，不落向地板。这种状态和在失重的太空没什么分别，重力来自引力，重力消失意味着引力消失。当然，这是电梯参考系的看法，在电梯外的咱俩看来，引力依旧，导致他们正在随电梯飞速撞向地球。
　　Stop！
　　这个游戏很危险，请小盆友们不要模仿。
　　OK，牛郎GG织女MM，为了减少交通事故，咱不去地球了。
　　这回咱离地球远点，还是乘这个电梯，逃出地球的引力场，停下来，对，就是这儿，这里几乎是没有什么引力了。
　　“和刚才没什么分别啊！”织女MM说道。
　　“是啊，大家都在飘，没有重量。”牛郎GG一贯赞同织女MM的任何意见，但这次是心里话。

留名，楼主继续

好！

插

【重新认识一下质量】
　　怎么又转回去了？
　　没办法，要理解广义相对论，必须搞清楚质量是怎么回事。
　　日常生活中，对我们这些真呀真高兴的小老百姓来说，质量就是重量，去菜市场,你向同一个卖家买质量为1000克的黄瓜也好，重量为1公斤的黄瓜也罢，得付同样多的钱，没什么分别。计量质量的工具，不管是用杆秤、磅秤、弹簧秤、天平还是电子秤，都是利用地球引力来计量的。所以这种质量就叫作“引力质量”。
　　OK，既然说到了黄瓜，那咱就买根黄瓜吊起来推一下，是的，不用大力就能把它推出去，但我们感觉还是微微有些阻力；现在把装着黄瓜的卡车吊起来，推一下，好像推不动哈，阻力太大，拼命推一下，车微微晃了下。这说明两个问题：一是物体反抗我们要给它的加速度；二是物体越重，也就是惯性越大，反抗加速度的力也越大。这种反抗加速度的质量，叫作“惯性质量”。
　　那么，引力质量、惯性质量，他俩是什么关系呢？
　　人们最早发现，引力质量和惯性质量成正比。
　　后来人们发现，引力质量和惯性质量严格地成正比。
　　我们选择适当的单位，就可以使物体的引力质量的数值等于它的惯性质量的数值。
　　勤劳勇敢的人们用秤来计量引力质量，用牛顿定律来计算惯性质量，还做了N多试验，来测量同一物体的引力质量和惯性质量，然后惊奇地发现：
　　引力质量=惯性质量！
　　起初，人们认为这两种质量只是近似值，随着测量手段精度的提高，人们发现，多高精度也测不出它俩的差别。匈牙利物理学家厄特弗斯?罗兰德（Eotvos. Lorand）多年如一日地投身到引力质量和惯性质量测量事业当中，使精度达到十亿分之一，还是没差别。现在，测量精度又提高了1000倍，得出的结论是：
　　这俩质量真相等！
　　牛顿认为这只是一种有趣的简单巧合，因为用牛顿定律解释不了。
　　爱因斯坦却认为，这是创建新理论的利器，因为用牛顿定律解释不了。
　　伽利略同志早就教导我们，两个不同重量的物体，不管是皮球VS铅球，还是姚明VS姚晨，都会以相同的速度下落。重的物体受到的引力比轻的大，却等速下落，是因为物体越重，对加速度的反抗越强。即：惯性力=加速力，二者抵消了（为方便叙述，咱造个词：把产生加速度所需的力简称为“加速力”）。
　　这时我们应该明白了：这是惯性质量和引力质量相等的结果。
　　这里面其实就暗含了引力与加速度等效的思想。只是当时大家没想那么多。
　　但爱因斯坦注意到了，导出了“引力与惯性力等效”的等效原理。
　　引力与惯性力、加速度等效。加速度，是矢量速度，沿着运动方向变化。
　　而狭义相对论适用的惯性系，是匀速直线的，速度是不变的。
　　那么，在矢量变速中，狭义相对论是不是不成立了？
　　是，也不是。
　　这可不是在玩儿玄虚。