Tuesday, September 4, 2012

我坐飞机,你坐飞机,我们之间的速度存在差异. 此速度的差异,产生一个boost. 其意义在于,虽然飞机与火车存在速度的差异,我们相当于在旋转一个4维的几何体. 但这个几何体本身保持不变, 因此,几何体是一个绝对的观念

我坐飞机,你坐飞机,我们之间的速度存在差异. 此速度的差异,产生一个boost. 其意义在于,虽然飞机与火车存在速度的差异,我们相当于在旋转一个4维的几何体. 但这个几何体本身保持不变, 因此,几何体是一个绝对的观念

6.2-Geek学院三期讲座内容整理-主讲人:张轩中(物理学) **完整版放出**

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题目: "相对论基础"
主讲人: @张轩中 老湿
时间: 6.2 晚7:30
地点: Geek学院官方扣扣群

以下是讲座的摘要内容. 为了避免给阅读者造成困惑, 我和Anaa过滤了大部分同学们的讨论. PDF版在群共享和115网盘里, 欢迎下载.

讲座组组长Ghoso的一点感想: 数理内容的讲解相对于生物学和人文社科要更为困难. 特别感谢张轩中老湿的耐心! 希望大家多多支持张轩中老湿的教育事业~ 另外感谢@Anaa 同学协助整理讲座稿~

=========================讲座 PART 1==========================

张轩中: 首先,我要向我的老师 ,梁灿彬老师,赵峥老师等的教育表示感谢,没有他们,我不可能给大家讲相对论。

大家: 将来我们也会感谢您的~

张轩中 : 但是,如果我有讲的不对的地方,那就是我自己的错误. 首先说一下,我的学术非常不精湛,而相对论是一个博大精深的学科.

今天演讲的主题是《相对论基础》, 我已经给大家准备了一个录象,密码是g,地址如下:
上集http://v.youku.com/v_show/id_XNDA2Mzc3MTEy.html
下集http://v.youku.com/v_show/id_XNDA2Mjg4OTEy.html

2个录象,大家可以同时看的. 接下来,我就来打字讲解, 录象版与文字版可能有重合的地方.


张轩中: 相对论是牛顿力学的发展, 主要原因在于,从某种意义上说,我们这个世界是非线性的. 我们给一汽车持续加速,速度不可以变得无穷大. 首先,无穷大的量,一定是非物理的. 其次,为什么会这样,是因为非线性的,如果我们从加速度的方程来看. dv/dt = ……方程的右边,会出现根号里面带速度的项. 这个表现为惯性质量随着速度的非线性增加.

非线性的出现,一般表示真实的物理. 物理学家习惯于做线性化的近似,那就是牛顿第2定律. 在我刚才的省略号中,表现为所谓的lorentz因子. 此lorentz因子的来历,起源于时空的对称性.

在牛顿的力学中,时间与空间是相互独立的. 因此我们只考虑空间的独立的对称性. 但是,因为电磁学的发展,人们意识到,时间与空间可能具有同等类似的地位. 于是将时间与空间组合在一起,做为一个整体,也就是4维的几何体. 此几何体,在一定的近似下,被认为是平坦时空.

正如,我们考察一个正方形的时候. 我们可以旋转90度,180度,与270度. 你都不可能知道到底有没有发生过旋转,假如你被蒙上眼睛. 这个在旋转之下保持不变的性质,我们称之为对称性.


栗子-95: 哇……这么讲太形象了
良幺-97: ……原来对称性是指这个……

张轩中: 于是,上面所讲到的平坦时空,作为一个4维的几何体,我们也可以旋转它. 那些保持此4维几何体不变的旋转,我们称之为lorentz变换. 时空的旋转,英语的术语叫boost, 乃相对论中的特殊概念.

boost的本质在于,我坐飞机,你坐飞机,我们之间的速度存在差异. 此速度的差异,产生一个boost. 其意义在于,虽然飞机与火车存在速度的差异,我们相当于在旋转一个4维的几何体. 但这个几何体本身保持不变, 因此,几何体是一个绝对的观念.

正如我们可以在各个方向给一个美女拍照,但此美女是一个客观实在, 虽然照片各不相同. 物理学只研究客观实在的东西,而不研究拍照以后所留下的. 但是,各个侧面也很重要!这就是所谓投影. 投影告诉我们,时间与空间以上所讲的boost,是因为速度差引起的. 还有在纯粹的空间上进行的旋转, 这个也保持那个4维的几何对象不变.


xyfd-95: 角动量守恒意味着所有物理定律在每个方向上都不变?

张轩中: 这个纯粹的空间旋转,就是角动量守恒的体现. 它属于loentz变换内的子群.

张轩中: 下面我简单解释一下群论. 对于一个正方形, 保持它不变的操作,就是旋转90度,180度,270度……但是,还有其他的操作. 那就是沿着对角线的翻滚, 以及沿着中线的翻滚. 这些操作都保持正方形不变. 我们可以数出,一共有几个操作. 保持正方形不变的操作,一共是8个. 这8个操作,构成一个群. 8个操作,是一个大群. 也就是一个大集合.


D.C.A.A-97: 哪八个
彼岸彩虹-98: 那就是沿着对角线的翻滚, 以及沿着中线的翻滚, 旋转90度,180度,270度……
取名字好麻烦-96: 两个中线、两个对角线、90、180、270、360
Herman.C--98……90 180 270 360 左对角 右对角 俩中线[表情]
D.C.A.A-97: 也就是说,等价的变形就是一个群

张轩中: 此大群 有所谓子群. 就是90、180、270、360此4个操作,单独成子群. 此单独的子群, 是封闭的.

Anaa-97: 同理 沿中线翻滚的两种成子群
Herman.C—98: ……那么对角线也是……

张轩中: 对于时空这个4维的大正方体,大家也可以类比. 这个时候的对称操作,被称为lorentz群. 旋转,则是其中的一个子群. 相对论时代之前,人类只知道旋转. 后来才发现有所谓的boost对称操作. 因此,从某种意义来说,相对论是发现了一个隐藏的对称性boost. 在时间这个方向上,也存在对称操作. 这是以前所不了解的.

良幺-97: 时间的对称操作……要怎么做?

张轩中: 时间的对称操作,通过不同的速度来时间. 坐飞机的人,与坐火车的人,因为速度不同,其时间的感觉也是不同. 这里面有无穷的奥秘与思想混乱. 以上为我讲演之第一部分,现在休息20分钟,大家可以先看看录象,我再把当时我在一所中学演讲的ppt传上来.

=========================休息与提问环节========================

大I-92: 洛伦兹变换与boost变换: http://en.wikipedia.org/wiki/Lorentz_transformation#Boost_in_the_x-direction
Motic-1995: 谢谢大I
彼岸彩虹-98: 洛伦兹变换等于boost变换吗?

张轩中: 洛伦兹变换是一个大群, 包括boost.
大I-92: Boost是子群

张轩中: boost不是子群……旋转才是子群. boost是时间与空间之间的交叉旋转 另类旋转吧.

大I-92: 那,为什么boost不算子群呢?

张轩中: 不封闭 不子群

D.C.A.A-97: 封闭是什么意思

张轩中: 比如 整数的除法 不封闭. 3/2 =1.5. 是一个小数了, 不再是整数.

张轩中: 我把以前的ppt发出来了,大家可以浏览一下,相对论太博大了,一下子不能完全说清楚所有的内容


果上皮壳上虫: 那就是整数集合是封闭的?

张轩中: 整数对加法封闭, 对乘法封闭, 但除法不封闭. 一个boost 再做另外一个 boost 不再是boost.

Motic-1995: 类似于虚数的平方不再是虚数吗

张轩中: 对 有道理 很深邃

张轩中: 中国人对相对论有100年的思想混乱,在于不懂boost. 现在这个时代,则需要各位年轻学子,传播新学问.


大I-92: boost和旋转都相当于一种变换(运算)法则是吗?

张轩中: 相当于 整数. 法则是群的乘法. 在相对论中,这个群的乘法,就是相对论本身所赋予的结构. 或者说是时空本身的结构 上帝赋予的.

大I-92: boost是运算还是运算作用的对象呢?

张轩中: boost是运算所作用的对象, boost本身是对时空的一种操作. boost是群运算所作用的对象.

D.C.A.A-97: 这个中文翻译的什么

张轩中: boost 中文可以叫 伪转动. 所以也有偷窃的意思?偷偷的转动吧.

良幺-97: (真可爱的译名)

张轩中: 最萌的翻译 可以是 “偷转动”

Herman.C-98: ……应该是“偷偷转”多萌

张轩中: 好


=========================讲座 PART 2==========================

张轩中: 好 ,接下来我来讲讲本次演讲的第2部分.

大家: 撒花~

张轩中; 如果说第一部分,我集中在boost,那么第二部分,我将阐释世界线的几何意义.

Herman.C—98: 啊,世界线,就是那个在维基百科那张图里扭来扭曲的那个……
彼岸彩虹-98物理: 老湿一开始还写错了呢wordline好萌……

张轩中: 我在过去的20天内,已经讲了11次世界线的,录象在youku上,大家可以去看.但是,我现在打字讲一下.

首先,世界线 的起源在于,时间永远流逝. 我们无法停止时间. 所以,无论你是静止还是运动,你在时空中的轨迹,是一条线。我可以举一个例子. 如果你在学校的操场上400米标准跑道跑步.别人无法知道你跑了几圈了.因为你在空间上的轨迹与跑道重合.但是,如果画出你的世界线,可以数出你转了几圈了.这就是世界线的意义.


彼岸彩虹-98物理: 是螺旋形的吗
D.C.A.A-97: 应该是
良幺-97: 螺旋线?
科学狂人-95: 对的
死鱼 -96: 根据跑道的形状螺旋向上?

张轩中: 刚才那个是螺旋线.

在引力场中,世界线会被扭曲.对于水星的轨道来说. 世界线朝空间的投影,不是一个椭圆. 此起源于引力场在世界线的扭曲.这就是广义相对论的本质.

引力场为什么会扭转世界线呢? 因为爱因斯坦的引力方程告诉我们: 物质引起引力, 引力告诉物质如何运动. 所以,我首先讲了世界线的扭曲的原因. 扭曲的原因之一是引力, 扭曲还有其他的原因.

扭曲的第2个原因是受到外力的作用. 这个很容易理解,在双胞胎姐妹的悖论,姐姐因为受到火箭的推动,世界线扭曲. 所以,我们如果深邃一点,可能可以去类比, 发现在一定的意义上 外力的加速度与引力场在物理上不可以区别. 此被称为爱因斯坦的颠峰之思想-----等效原理. 1907的思想发轫,1916年终成巨制----广义相对论.


Mr.章鱼-94:史话的感觉有了

张轩中: 那么,接下来的问题是, 世界线的物理意义是什么. 凡是曲线,终有长度. 世界线的长度,就是真实的时间. 表征你的成长发育之过程. 是内在的. 与外界观察者无关.

张轩中: 我们所说的时间,只是一个坐标.没有实际的意义. 世界线之长度,才有物理. 世界线之长度,英文称为proper time. 翻译为固有时间.

张轩中: 这是固有的时间,是你自己测量自己所得到的真实时间.正如你到底有多少钱,只有你自己知道.别人的测量,都是不准确的.但是,广义相对论的精彩,就在于别人的测量.别人会看你比较年轻,也会看你比较老…… 他们各自有各自的时间观念. 这个是科普的说法.

张轩中: 在技术上,我们需要首先学会计算世界线的长度.


彼岸彩虹-98物理: c^2=a^2-b^2

张轩中: 这简单的说,是一个新的勾股定理所赋予的结构. 那就是c^2=a^2-b^2, 把传统的加法变成减法,也就ok了.

张轩中: 当然,这个是适合于直线的,如果是曲线,则需要做微积分的计算. 这减法的来历:1。时间的特殊性 2。光速最大.在引力场中,计算世界线的长度,需要知道引力场的结构,也就是所谓度量.

张轩中: 好了,今天我的讲演就到这里,主要就是这2个部分.

大家:谢谢老师~

张轩中: 谢谢大家,希望大家以后能成为霍金那样的科学家. 他31岁的时候,他写了一本书《时空的大尺度结构》, 至今我没有读明白. 希望日后有人能读明白, 你们是相对论的未来.

彼岸彩虹-98物理: 我们合作写《时空的大尺度结构解读》老湿主编

张轩中: ok

良幺-97: 一定会有这一天的= =
死鱼 -96: 哈,当然
彼岸彩虹-98物理: 加油,约定了哦

========================讲座结束后的提问========================

彼岸彩虹-98物理: 光有引力吗?
D.C.A.A-97: 光没有质量吧?
Dear.Geek -98: 对。。这也是我的问题
Anaa-97: 某种意义上 光有质量

张轩中: 光没有静止质量.

彼岸彩虹-98物理: 还有,科学上说光有光压
Dear.Geek -98: 光没有质量的话也就不会被黑洞吸引了啊
死鱼 -96: 相对论质量?
Mr.章鱼-94: 这个好
sharp-shooter 96: m=hv/c^2

张轩中: 光有等效的质量: hv/c2.

彼岸彩虹-98物理: 原来是这样,怪不得
Mr.章鱼-94: 量子概念?
D.C.A.A-97: E=mc²=hv.我想起来了
大I-92: 请问光没有静止质量这句话怎么理解?
良幺-97: 光停下来就什么都不剩了么?
彼岸彩虹-98物理: 前者是粒子,后者是波

张轩中: 以最大速度运动,在光锥的边界上.

取名字好麻烦-96: 这么说……光不能静止?
D.C.A.A-97: 是的
Mr.章鱼-94: 静止为粒子,运动为波?
sharp-shooter 96: 那光锥外呢
良幺-97: 光锥外是不允许吧……
死鱼 -96: 光锥外违反规则吧
D.C.A.A-97: 运动时也可以是粒子
彼岸彩虹-98物理: 取决于观测的方式
D.C.A.A-97: 黑洞没法观察
彼岸彩虹-98物理: 波粒二象性
死鱼 -96: 那就是超过光速了
彼岸彩虹-98物理: 狭缝试验

张轩中: 光锥外违背因果性.

sharp-shooter 96: 间接观察黑洞
良幺-97: ……因果性 这也是相对论跟量子论的最大矛盾么= =

张轩中: 差不多就是这些.总之,因果性很重要. 我觉得应该是物理学的基本要求吧. 大家对相对论有兴趣的, 可以多读数学.

汪汪貓-96: 那个 相对论现在除了在GPS还有时钟上应用还有哪里在使用中呢?

张轩中: 导弹



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Geek学院小组-专为萌妹纸和可爱的男孩纸设立的柏拉图式学院~

18条回应

  • 1楼
    2012-06-03 12:53:15Ghoso
    自杀
    引用
  • 2楼
    2012-06-03 12:59:40Herman_Collins
    ……顶个
    引用
  • 3楼
    2012-06-03 13:16:53tea.woo
    翔实的记录,顶
    引用
  • 4楼
    2012-06-03 13:32:07爬上科学巨人的肩膀
    嗯嗯,这一次我完全被过滤掉了~
    引用
  • 5楼
    2012-06-03 13:41:58Ghoso
    引用@爬上科学巨人的肩膀 的话:嗯嗯,这一次我完全被过滤掉了~

    谁叫你不参与学术讨论一直在维持纪律...
    引用
  • 6楼
    2012-06-03 14:25:57Herman_Collins
    引用@Ghoso的话:谁叫你不参与学术讨论一直在维持纪律...
    ……我想到“不要调戏老师”“别乱来”…………
    引用
  • 7楼
    2012-06-03 14:50:17爬上科学巨人的肩膀
    引用@Ghoso的话:谁叫你不参与学术讨论一直在维持纪律...
    因为这次讲座的东西我已经提前知道了-。-
    引用
  • 8楼
    2012-06-03 15:11:23取名字好麻烦
    默默的顶……
    Geek学院-专为萌妹纸和可爱的男孩纸设立的柏拉图式学院~
    取名字好麻烦,换头像更麻烦~
    引用
  • 9楼
    2012-06-05 20:13:23死鱼
    顶啊
    引用
  • 10楼
    2012-06-05 22:08:38sx349
    说实话,张轩中老师的通俗演义太不通俗了………………
    引用
  • 11楼
    2012-06-06 03:42:19Dear.Geek
    我怀疑这是我这个月唯一一次听课了.. 既然留名了我以后还是看摘要吧
    引用
  • 12楼
    2012-06-06 14:42:49果上皮壳上虫
    我还没被全过滤掉
    引用
  • 13楼
    2012-06-06 19:50:282006
    加密神马的最。。。了!!!
    引用
  • 14楼
    2012-06-06 23:40:18草原狼h
    boost、群那里讲的不太通俗啊……
    关于世界线,还可以解释之所以为减法是因为时间用虚数表示神马的……
    引用
  • 15楼
    2012-06-08 19:57:12D.C.A.A
    好吧我终于出现了……
    本人初中僧一枚,学识尚浅,请多包含……
    以下为广告:童鞋们欢迎来Geek学院
    我们是专为未成年人准备的学习小组
    引用
  • 16楼
    2012-06-14 21:30:17把橙子压成汁
    天啊相对论我晚了……
    引用
  • 17楼
    2012-07-08 15:10:50瑄禾
    马一下回去看
    引用
  • 18楼
    2012-08-11 12:35:26皮格浩斯
    不是说有ppt么。。。怎么木有见到。。。
    引用
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