心智圖資源庫 《人人能懂的相對論》心智圖
這次，你將真正理解相對論，跟上愛因斯坦的腳步，吃透現代物理學基礎！讓讀者能夠理解並掌握相對論的基本概念、原則和應用。
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用中學物理讀懂相對論，一堂課重構時空觀
狹義相對論
光速、時間與空間之間的關係
光速
光速是宇宙中任何事物都不可能超越的極限速度
如果超光速移動，就會打破因果律
空間和時間是相對的
如果速度夠快的話，空間會被壓縮時間會變慢
推導過程
繼法拉第發現電磁感應現象後，麥斯威爾發現電磁波的速度就是光速c
麥克爾遜和莫雷在任何方向上都沒有觀察到光速的差別，顯示光速c是常量
在光速c恆定不變的前提下，愛因斯坦利用光鐘的思想實驗，推導出了狹義相對論
在光鐘的實驗中，我們可以透過勾股定理，計算出動系相對於靜繫的時間膨脹係數，也就是相對論因子γ
四維時空
時空混合體
因為速度可以帶來時間和空間的改變，所以時間跟空間可以放在同一個概念中
理論支柱
不變性：動量和動能守恆定律
月球對地球的引力導致潮汐，而潮汐的摩擦力導致地球自轉速度減慢，由於地月系統動量守恆，地球失去的動量傳給了月亮，使月亮在環地球軌道中加速運動，並以每年4米的速度遠離我們
因果性：起因和結果的先後順序不能夠反轉
距離：把時間和空間都量化成距離
時間距離ct、空間距離x和時空距離s
時空距離s是恆定的
假設：s2=ct2±x2
如果s2=ct2 x2，會形成圓形時空圖，時間變成可逆的，這違反了因果律，因此是不成立的
如果s2=ct2-x?，會形成雙曲時空圖，時間不能回到過去，不違反因果律，因此是成立的。這就是閔可夫斯基時空
質能轉換公式 E=mc²
動量守恆公式
p=mv(三維空間)
p=γmc(四維時空的時間方向)
能量守恆公式
E=γmc²≈mc²
應用
核分裂
建造核電廠
測定地質年齡
給地球提供熱量
核融合
恆星的燃燒:質量較小的恆星燃燒到盡頭會成為白矮星，質量較大的會成為中子星，質量最大的會成為黑洞
廣義相對論
愛因斯坦的靈感來源
為什麼所有的物體都以相同的加速度向地面自由墜落
地球為什麼要繞太陽公轉
牛頓的解釋：受萬有引力定律的影響，太陽的拉力將地球固定在現在的圓形軌道中
愛因斯坦的解釋：太陽巨大的質量使它附近的時空發生扭曲，才使地球看起來是在繞圈
實驗觀測
愛丁頓等人透過觀測日全食，證明了太陽周圍的時空是扭曲的
貝爾等人捕捉到脈衝星非常規律的訊號
脈衝雙星成為驗證廣義相對論的最佳環境
調整GPS的時間偏差，實現精確導航
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