相對論時空觀與牛頓力學的局限性現在的機場，都有水平傳送帶，可以讓旅客走得快一些。假如有一個傳送帶，以10m/s的速度運動。這個時候，愛因斯坦站在傳送帶上，以相對于傳送帶1m/s的速度，順著傳送帶的方向向前走。而傳送帶外的地面上站著普朗克。像這樣的操作叫作伽利略變換愛因斯坦就站在傳送帶上一動不動，手里拿著一個手電筒，他打開手電筒的開關，一束光向前射出。我們知道光速大約是每秒30萬千米。對于普朗克來說，他看到手電筒發出的光的速度，應該是每秒約30萬千米，加上傳送帶的速度10m/s，也就是普朗克看到的光的速度應該大于愛因斯坦看到的光的速度。伽利略變換對于除了光以外的東西，似乎是很好用的。但是一旦在光速上做文章，就立刻破潰了相對論最核心的一條原理——光速不變原理。對于任何一個觀察者，無論觀察者處在什么運動狀態，不論他的速度是多少，他探測到的光速永遠都是一個恒定的值。那科學家究竟是如何驗證光速真的是不變的呢？這就要說到19世紀末的著名實驗——邁克耳孫-莫雷實驗（Michelson-Morleyexperiment）。理解這個實驗，需要建立三個階段的認知。第一階段，我們要理解：機械波的傳播是需要介質的。光，其實就是電磁波。跟我們日常生活中接觸到的聲波、水波一樣，十九世紀，英國科學家麥克斯韋，提出了電磁場理論，預言了電磁波的存在，并從理論上證明了，電磁波傳播的速度等于光速。第二階段，波的干涉現象我們要理解一個物理現象：只要是波，不管是聲波還是光波，它們都存在一個現象，叫作波的干涉假設有兩束光波的波峰同時經過，那振動幅度更大，能量更強，就會顯得更明亮。如果是一個波峰和一個波谷經過，它們的振動相互抵消，振幅小，能量弱，就會變暗。所以當兩束光打到同一片區域發生干涉現象時，有的位置是波峰碰波峰，或者波谷碰波谷，有的位置是波峰碰波谷，波峰波谷相遇區域內就會形成明暗相間的條紋第三階段，我們來了解邁克耳孫-莫雷實驗的原理邁克耳孫（AlbertAbrahammichelson）和莫雷（Edwardmorley）是兩位物理學家的名字，他們因為這個實驗獲得了1907年的諾貝爾物理學獎。這個實驗是為了驗證以太是否存在。首先要明確一點，波相對于它的介質的速度是恒定的。我們說聲速（speedofsound）約是340m/s，其實指的是聲音相對于空氣的速度。空氣靜止的時候，聲速對于人來說也約是340m/s，但如果聲音是伴隨著一陣風迎面吹來的，這個時候聲音相對于你的速度就不是大約340m/s了。以太被假設為光的傳播介質，所以光相對于以太的速度是恒定的，大約每秒30萬千米。當時的科學家們假設以太彌漫在全宇宙空間中，相對于太陽是靜止的。地球繞太陽公轉的速度大約是30km/s，所以地球是在以太中穿行的。人站在地球上，實際上是時時刻刻都有一陣“以太風”以30km/s的速度吹來，因為以太相對于太陽靜止，而地球又相對于太陽公轉，所以地球相對于以太是運動的那么根據波的干涉原理，這兩束光匯聚以后打到同一個地方，就會發生前面所說的干涉現象，產生一組明暗相間的條紋。這個時候如果轉動這臺干涉儀，比如讓它轉過45°。那么在轉動的過程中，兩束光相對于以太風的運動方式一直在改變，所以它們相對于實驗儀器的速度也一直在變。可以想象，兩束光的時間差在轉動過程中也一直在改變，最后就會影響到干涉條紋。也就是如果以太風存在的話，干涉條紋的形狀會發生變化。（1）以太并不存在，光可以在真空中傳播，不需要任何介質；（2）光速跟測量者的運動狀態沒有關系，它在任何情況下都是不變的。很顯然，地球的公轉完全沒有影響到我們測量的光速大小。不管你怎么轉動實驗儀器，干涉條紋都不發生一丁點的變化，所以，邁克耳孫-莫雷實驗的結果向我們證明了兩件事：相對性原理：在不同的慣性參考系中，物理規律的形式都是相同的。愛因斯坦對相對論的解釋:“當你和一個美麗的姑娘在一起坐一小時，你感覺只坐了一分鐘，當你坐在火爐旁一分鐘，就好象坐了一小時，這就是相對論。”同時性是相對的車上的觀察者:閃光同時到達車廂的前后兩壁（圖甲）地面上的觀察者:閃光先到達車廂后壁，后到達前壁（圖乙）鐘慢效應（timedilation）自己不覺得慢，別人看你慢鐘慢效應，指的是不同的參考系，在有相對運動的時候，它們對于同一件事情時間流逝的快慢，感受是不一樣的。而自己對于自己參考系里面發生的事件，時間快慢不會有任何變化，這才是對鐘慢效應的正確理解速度越快，時間越慢如果相對地面以v運動的某慣性參考系上的人，觀察與其一起運動的物體完成某個動作的時間間隔為，地面上的人觀察該物體在同一地點完成這個動作的時間間隔為，兩者之間的關系為：時間延緩效應由此可見，時間不再是絕對的，而是相對的，這種情況被稱為鐘慢效應的證據宇宙射線中有各種各樣的粒子，這些射線在射向地球的過程中，是以接近光速的速度運動的。射線中的粒子在進入大氣層以后大多會經歷衰變（decay），衰變成其他粒子。根據計算，很多粒子的衰變周期，或者說它的壽命，是非常短的。如果我們用它的壽命乘以它的運動速度，就能算出這種粒子在衰變前能夠走過的距離。結果發現，這個距離遠遠小于大氣層的厚度，也就是說，如果這些粒子的壽命真的這么短的話，它們是無法到達地面，被人類的實驗儀器探測到的。但事實并非如此，我們通過實驗手段，探測到了很多宇宙射線中的粒子，這個事實本身就可以用來驗證鐘慢效應。因為對于地球上的觀察者來說，宇宙射線中的粒子運動的速度非常快，所以它的時間是會膨脹的。可能原來一個粒子的壽命只有幾納秒（nanosecond，10-9s），但只要它的速度夠快，它的壽命在地球上的人和實驗儀器看來，可能有幾十納秒、幾百納秒。這樣的話，這些粒子就有充足的時間可以到達地球表面，鐘慢效應就得到了驗證。有一種基本粒子叫μ子，當它低速運動時，它的平均壽命是3.0μs，當μ子以0.99c的速度飛行時，若選μ子為參考系，μ子的平均壽命是多少？若以地面為參考系，μ子的平均壽命是多少？【分析】若選μ子為參考系，μ子的平均壽命為t1=3.0μs；若以地面為參考系，μ子的平均壽命為：t2尺縮效應（lengthcontraction）就是一把相對地面在運動著的尺子，長度會在尺子運動的方向上縮短。這里的縮短，是地面上，相對于地面靜止的觀察者測量到的尺子長度會變短。尺子上有另一個觀察者的話，他測量到的尺子長度還是原來的長度假設這個時候愛因斯坦站在地面上不動，他可以這樣測量尺子的長度：當尺子的頭部經過愛因斯坦的時候，他記錄下一個時間，與此同時，在尺子的頭部做一個記號；當尺子的尾部經過他的時候，他也記錄下一個時間，并在尺子的尾部也做一個記號。這樣的話，對于愛因斯坦來說，他量出來的尺子的長度，其實就是他記錄下來的兩個時間差，乘以尺子的運動速度。站在尺子上的普朗克，他要如何去測量尺子的長度？他只要也記錄下愛因斯坦做這兩個記號的時間差，再乘以愛因斯坦相對于他的速度，其實也就是這把尺子的速度，就可以了。最后再去比較這兩個時間差之間的關系，就可以得出尺子的長短到底變化了多少。對于剛才測量尺子長度的實驗，愛因斯坦所用的時間肯定也沒有尺子上普朗克用的時間長。因為給尺子頭部和尾部做記號這兩件事，對于愛因斯坦來說是在一個地方發生的，而對于普朗克來說不是。與桿相對靜止的人測得桿長是l0，沿著桿的方向，以速度v相對桿運動的人測得桿長是l，那么l0與l兩者之間的關系是：【典例6】某宇航員要到離地球5光年的星球上去旅行，如果地球指揮中心希望把這路程縮短為3光年，則他所乘飛船相對地球的速度為A．0.5cB．0.6cC．0.8cD．0.9c【正確答案】C牛頓力學的局限性在微觀世界中（尺度在10-10m以下），由于物質的存在和運動形式（波粒二象性），較宏觀世界，有較大的不同,牛頓力學也不適用。牛頓力學只適用于低速運動，不適用于高速運動；只適用于宏觀世界，不適用于微觀世界；只適用于弱引力情況，不適用于強引力情況。相對論的時空觀念與人們固有的時空觀念差別很大，很難被普通人所理解。人們都稱贊愛因斯坦偉大，但又常常弄不懂這偉大的內容。這使人們想起英國詩人波譜的詩句:自然和自然的法則在黑暗中隱藏；上帝說，讓牛頓去吧！于是一切都被照亮。魔鬼說，讓愛因斯坦去吧！于是一切又回到黑暗中。【典例1】以牛頓運動定律為基礎的經典力學的適用范圍是()A．低速、宏觀的運動問題B．高速、微觀的運動問題C．低速、微觀的運動問題D．高速