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相对论你明白了?来回答这4个问题

 霃楓 2016-11-26


         在《论运动物体的电动力学》这篇论文发表后不久,爱因斯坦把它最新发现的质速公式和质能公式写了一篇仅仅三页纸的论文,作为上一篇论文的补充,这篇论文题目叫做《物质的惯性同它所含的能量有关吗?》又投给了同一份杂志,马上就得到了发表。不过,这两篇论文发表后的很长一段时间内,并没有引起什么反响,就好像一粒沙子扔进了一片沙漠,激不起任何涟漪,沙子本身也迅速被埋没在沙海中。那是一个创世纪的时代,每天都在产生大量新的论文、新的思想,物理学的新发现如潮水般涌进人们的眼睛,但毕竟,爱因斯坦扔进去的不是一粒沙子,是一粒金子,迟早要发出耀眼的金光。只是爱因斯坦还需要等待,当他的这两篇论文发表后,小爱自己是很有些得意的,他以这两篇论文为理由去申请伯尔尼大学的物理系讲师,结果遭到拒绝,人家根本看不懂。小爱只好退而求其次去申请一个中学物理教师的职务,仍然遭到了拒绝,那真叫一个悲愤(悲伤加愤怒)。其实爱因斯坦并不孤独,法国大数学家庞加莱(Poincaré1854-1912,提出著名的庞加莱猜想的那位)几乎同时与爱因斯坦有了同样的想法,而且只比爱因斯坦晚了几个星期写出了和爱因斯坦写出的几乎一模一样的公式,但与爱因斯坦不同的是他用的是纯数学的思想来构建,并没有思考太多实际的物理意义。因此庞加莱一看到爱因斯坦的论文就大有英雄所见略同的感觉,但庞加莱非常谦虚,他一面义务帮爱因斯坦宣传他的理论,一面不断地告诉人们是爱因斯坦第一个发现了相对论。


        这两篇论文实际上是一个有机的整体,在慢慢被物理学界认识的过程中,其他物理学家谈论起的时候在未经爱因斯坦本人许可的前提下,都不约而同地使用了“相对论”三个字,因为两篇论文中出现的“相对”二字实在太多了,从相对性原理,到时间相对、空间相对、质量相对等等,时间一长,尽管爱因斯坦本人很不喜欢相对论这个词,但也无可奈何,慢慢的自己也只好随大流跟着叫相对论了。不过爱因斯坦很快就开始不满足起来了,为什么呢,请大家注意一下,爱因斯坦的相对性原理前半句是什么:在任何惯性系里面。惯性系也就是匀速直线运动,而后面所有的公式中的V指的也全都是匀速直线运动。但问题是,我们的生活中真的有惯性系存在吗?船在海浪中颠簸,火车要加速减速,孩子们的嬉戏打闹,扔出去的小球也是个抛物线,即便是我们前面一直当惯性系的地球本身,也是在绕着太阳做圆周运动,真正的惯性系几乎找不到,而放眼宇宙,是非惯性系主宰了我们的世界。爱因斯坦那是相当的不满,因此,对于别人喊他的理论叫做相对论,他勉强也就接受了,但他坚持要在相对论前面加上一个定语,德文和英文的本意是“特殊相对论”(SpecialRelativity),中文就用了一个很高深的故弄玄虚的词“狭义相对论”,与之对应的就是爱因斯坦潜心研究10年后发表的“广义相对论”,英文是General Relativity (普遍相对论)。


        写到这里,本章的内容即将结束。如果你此时的感觉是狭义相对论原来也并不难懂嘛,我基本上都看明白了,那是笔者莫大的荣幸;如果你此时的感觉仍然是不明所以,一头雾水,那也一定不是你的问题,是我的问题。但是,我想问前一类读者,你真的明白了吗?抱歉,我马上要给你一点小小的打击了,你以为你全都明白了,其实你什么都还没真正明白,让我来问你这么几个问题,你思考一下:

  第一个问题:
  
  想象一下,爱因斯坦和哈勒各自驾驶着一艘同一型号的宇宙飞船在黑漆漆的太空相遇。在爱因斯坦的眼中,哈勒的飞船先开始是一个小亮点,然后越来越大,最后以高速从他身边飞过,一转眼就不见了,爱因斯坦心里想,根据狭义相对论的时间膨胀和空间收缩效应,哈勒的时间过得比我慢,哈勒的飞船相对我的飞船缩小了。但是,让我们跑到哈勒那里,在刚才那起相遇事件中,哈勒看到爱因斯坦的飞船先开始是一个小亮点,然后越来越大,最后以高速从他身边飞过,一转眼就不见了,哈勒心里也在想,根据狭义相对论的时间膨胀和空间收缩效应,爱因斯坦的时间过得比我慢,爱因斯坦的飞船相对我的飞船缩小了。亲爱的读者,请问,他们到底谁比谁的时间变慢了?谁比谁的飞船缩小了?
  
  第二个问题:
  
  想象一下,你即将坐上一艘亚光速飞船告别地球上的双胞胎弟弟去太空旅行,当你弟弟看到你的飞船瞬间冲上云霄,一下子就飞得不见踪影时,他在心里面想,等哥哥回来的时候,我就比他老了,哥哥会比我显得更年轻。可是,你在飞船上可不一定这么想,在你的感觉来说,你觉得是地球载着你的弟弟突然飞离你而去了,你越想越觉得有道理,不一会,你就感慨到:“等我再见到弟弟的时候,我就更老了。”亲爱的读者,你觉得你们见面的时候,到底是你变得更年轻了呢还是变得更老了?(双生子佯谬)
  
  第三个问题:
  
  洛伦兹开着一辆亚光速飞车正在平坦的北极冰面上飞驰,他越开越快,真是爽极了,突然,车载雷达显示,前方有冰面出现了一个裂缝,裂缝的宽度刚好和飞车一样宽,情况十分紧急,到底要不要刹车?洛伦兹突然想到,啊哈,那个裂缝正相对我做着高速运动,它会在运动方向上收缩,于是会小于我的车长,我应该能顺利地冲过去,这么一想,洛伦兹心里一宽,反而踩下了油门加快速度。可是马上就要到裂缝时,一个念头冒出来,他突然吓呆了,如果裂缝里面有一个人,从他的眼里看来,我正在飞速朝他运动,我的车子在运动方向上会收缩,我会更容易就一头跌入冰缝,天哪,得赶紧刹车,可是此时已经来不及了。亲爱的读者,请问倒霉的洛伦兹先生到底有没有掉入那个冰缝中呢?(长棍佯谬)
  
  第四个问题:
  
  庞加莱先生正指挥着一艘潜水艇在大西洋中游弋,海里的美景真是美不胜收,看上去比数学要有趣得多,突然,一阵凄厉的警报声把庞加莱的思绪拉回现实中。中士慌慌张张地跑来报告说一个不明物体击中了潜水艇,撞坏了深度控制箱,潜水艇正在下沉,情况危急。庞加莱不愧是久经考验的大师级人物,临危不乱,他想到,只要我加快潜水艇前进速度,那么对面的海水就会相对我做高速运动,根据狭义相对论的质速公式,海水的质量会增加,那么密度就会增加,浮力就会增大,我们的潜水艇就能顺利上浮了。当庞加莱正要发出以亚光速加速前进的指令时,他突然又想,哎呦不对,我一加速,在海水看来,我的潜水艇的质量增大,我岂不是下沉得更快,庞加莱也无法保持镇定了,看着全体艇员焦灼的目光,大颗汗水从脸上掉下。亲爱的读者,请问可怜的庞加莱先生到底该不该下达加速前进的命令?(潜水艇佯谬)

  
  问题问完了。
  
  请原谅我,你本来已经清楚的头脑,突然一下子又坠入深渊,你忍不住火冒三丈,这该死的相对论到底该相对谁啊!
  
  请息怒,我亲爱的读者,你一点都不需要感到郁闷,这些问题不但困扰你,同样也曾经困扰着比我们聪明十倍的大科学家们,那个双胞胎到底孰老孰少的问题也曾经引发过全世界范围的大讨论。
  
  要搞清这些问题,不是我三言两语就能说得清的,请你系好安全带,我们的旅程才刚刚过半,更刺激、更惊险、更不可思议的故事和风景还在前面等着我们。犹豫什么,这就跟我出发吧!

--来自汪洁《时间的形状》?

---未完待续---

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