分享

狭义相对论发表114周年,是时候搞懂它了!

2019-06-30  lin46xjddnq9l0   |  转藏
   

在科学史上,1905年被称为:爱因斯坦奇迹年。在这一年,爱因斯坦共发表了4篇学术论文,每一篇都是诺奖级别的理论,并且也是开创性的科学成果。

其中,在1905年6月30号发表的《论动体的电动力学》,后来也被叫做:狭义相对论

今天是狭义相对论发表的114周年。这都100多年前的理论,我们没有理由看不懂它。今天,我就来给你好好讲一讲:狭义相对论到底讲了些什么?

一场跨越200年的恩怨

狭义相对论能够诞生,其实主要源于一场跨越200年科学史的恩怨。

让我们先把镜头切换到17世纪,首先出场的一号男配角是号称近代物理学之父的伽利略

伽利略曾经提出过了一个“伽利略变换 ”:

在一个参考系中建立起来的物理定律,通过适当的坐标变换,可以适用于任何参考系。

是不是有不明觉厉的感觉?其实这都是唬人的。举个例子你就懂, 如果你在火车上,旁边正好也有一辆火车,这时候只要有一辆车子动了,坐在车上的人是很难分得清是自己所在的火车动了,还是旁边的动了。

这其实可以理解成运动是相对的,如果用一个简单的模型来说就是:

A和B相互靠近,如果选择A为参考系,我们就可以得出A是静止的,B在运动,如果选B为参考系,那B就是静止的,A在运动。

没错,这就是初高中物理课上都会讲的“参考系”或者“参照物”

如果你在车上内向前走,那站在地面上的小伙伴看来,

你的速度=火车的速度+你在车上的速度,你的速度=10+5=15m/s。发现没有,在这个理论当中,速度是可以叠加的

后来,牛顿把伽利略变换纳入到的自己的力学体系当中。我们在运用牛顿定律的时候,都得先规定好一个参考系。

不过,我们要搞清楚一点,牛顿其实做了一个假设:空间和时间是绝对的,是独立的。

说白了就是,地球上所有的物体对于时间的感受都是一样的。空间也一样,空间的距离对于每个人来说都是一样的。如果非要简单总结一下就是:

空间、时间与物体的运动状态无关!

空间、时间与物体的运动状态无关!

空间、时间与物体的运动状态无关!

(重要的事情说三遍)

牛顿理论后来被广泛运用,甚至还能预言海王星的存在,成为了物理学坚定的基石理论。

后来科学家开始研究“电”和“磁”。尤其是到了麦克斯韦的时代,麦克斯韦提出了麦克斯韦方程。

统一了“电”和“磁”,并提出了电磁波的概念,还预言光是一种电磁波。

物理学家赫兹通过实验验证了麦克斯韦的观点。可问题恰恰就出在这里,麦克斯韦方程是不需要参考系的,说白了就是:

电磁波速度,或者说光速是不需要相对于某个参考系而言的。在任何惯性参考系下,光速都是3×10^8m/s。

这就和牛顿力学是相互矛盾的。可是,牛顿力学是那么正确,观测和理论完美的匹配。而麦克斯韦方程也同样坚如磐石,能够很好地解释电磁现象。那到底是哪里出了错?

科学家们的妥协

要知道伽利略,牛顿,麦克斯韦都是物理学史上前五的选手,绝对的大神。神仙打架,一般的物理学家只能做个吃瓜群众。只是物理学总是要向前发展的,但大神又得罪不起,总得一碗水端平。

于是,科学家们就想到:水波的传播是需要介质的,那就是水那光传播是不是也需要介质?

因此,当时的科学家就认为这个光传播的速度应该是相对于它的介质的,而不是绝对的。因此,科学家认为空间中布满了一种叫做“以太”的物质。以太对于光(电磁波),就如同水对于水波这般。看起来十分完美有没有?但科学不能光靠想象力,得找出证据证明“以太”真的存在。

结果呢?很抱歉,科学家想尽了一切办法,最后得出了一个结果:以太不存在!

这下子可完了,搞了半天,牛顿和麦克斯韦的矛盾还是没解决。于是,科学家们又开始开脑洞,憋大招。其中最有名的就是洛伦兹彭加莱。如果非要给两个人找到共同点,那一定是:距离狭义相对论最近的男人

洛伦兹简直是个左右逢源的高手,左手一个“伽利略变换”,右手一个“光速在惯性参考系下速度不变”,然后把它们结合起来,弄出了一个连他自己都无法理解的东西,这东西就叫做:洛伦兹变换

彭加莱则是从哲学的层面提出了一些想法,尤其是同时性的相对性。说的就是同一个事件,不同的人(参考系)看到的很可能不是同时发生的,这取决于他们的运动状态。不过,彭加莱也就想一想,可谁也没能真正意义上提出一个令大家满意的结果。

杨振宁曾经在他的文章《机遇与眼光》写到,

洛伦兹有数学,但没有物理学;庞加莱有哲学,但也没有物理学。正是 26 岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的原始观念,坚持同时性是相对的,才能从而打开了通向微观世界的新物理之门。

专利局三级技术员

是的,在一堆学术界大神失败后,我们故事的主人公横空出世。不过,在讲述他的传奇之前,我们先来了解一下他的情况。

1905年6月30号,爱因斯坦发表了他的论文《论动体的电动力学》。他一开始应该也是和洛伦兹,彭加莱一样,想来一个左右逢源,于是,从两条基本假设:

1. 相对性原理(伽利略变换)

2. 光速不变原理(光速在惯性参考系下速度不变)

这两条假设,一条是伽利略提出来的,而另外一条则是基于麦克斯韦的理论。然后进行推导得出洛伦兹变换(毕竟用的办法都一样),刚才也说到洛伦兹看不懂这个这东西。但爱因斯坦和洛伦兹,彭加莱不一样的是,爱因斯坦左右逢源的功夫了得,还能顺手倒弄出了一个全新的世界。

那这个全新的世界是什么呢?

爱因斯坦的叛逆

应该说是爱因斯坦的叛逆,在他之前,没有人敢于质疑空间和时间。大家都觉得空间和时间是绝对的,什么叫做空间和时间是绝对的呢?意思就是说,

对于你来说的一秒,对于其他所有的人来说也是一秒,每个人的一秒都是一样的。

但爱因斯坦觉得这不对,让我们来想象一个画面,你站在地面上,而你的朋友在一艘飞船上。这时候你朋友拿出一个光钟,这东西现实生活中不存在,不过原理和时钟计时是一个道理。毕竟爱因斯坦就喜欢这种“思想实验”,这个光钟的计时方法就是:

光上下往返一次的时间设定为一秒。

其实道理和时钟跑一圈是一样的。如果我们假设光速在任何参考系下都是一样的(光速不变原理),那在飞船上的人看到的光就是一上一下的,而地面上的看到的光其实走到路径是倾斜的。

爱因斯坦认为时间=路程/光速在任何惯性参考系下是不变的,而光速也是不变的。所以,飞船上的人看光往返一次是1秒,但是在地面上的人看来由于路径变长了,需要的时间就更长一些,我们就假定是2秒。

如果飞船上有人跟着“光钟”的节奏在做广播体操,那么在飞船上1秒钟能做完的动作,地面上的人看就需要2秒,说白了就是看到的是广播体操的慢动作。

反过来,如果地面上的人也拿着一个“光钟”,其实由于运动是相对的,情况会正好倒过来。地面上的人看就是1秒,飞船上的人看就是2秒,也就是说,如果地面上的人也跟着“光钟”的节奏在做广播体操,那飞船上的人看到的也是广播体操的慢动作。

这种效应就被称为:时间膨胀。它真实存在,科学家通过μ(miù)子实验证明这一点。如果我们把飞船换成高铁,那么高铁内的钟表其实会变慢十亿分之一秒,正因为这个差异如此之小,所以我们才没有感觉到。当速度特别快时,尤其是越接近光速,时间膨胀的效果越明显。

这个实验告诉我们一个道理:

时间与物体的运动状态有关!

时间与物体的运动状态有关!

时间与物体的运动状态有关!

(重要的事情说三遍)

爱因斯坦说,不仅仅时间与物体的运动状态有关,空间也是这样。我们还拿刚才的飞船来说事。同样是一段距离,由于时间膨胀效应,我们在地面上看可能需要2秒才能走完,但是在飞船中的人,1秒就走完了。而且无论是飞船中的人还是地面上的人,飞船相对于这段距离的飞行速度都是一样的。这就说明,飞船上的人看到的这段距离其实要比地面上的人更短一些。这就是长度收缩

如果飞船是以0.1倍的光速飞过,地面上看到飞船的情况就是下面这样:

如果飞船是以0.8倍的光速飞过,那飞船就会变短,

如果飞船是以0.95倍的光速飞过,飞船还会变得更短。

所以,我们会发现,速度越接近于光速,长度收缩得越严重。这说明:

空间与物体的运动状态有关!

空间与物体的运动状态有关!

空间与物体的运动状态有关!

(重要的事情说三遍)

爱因斯坦更进一步,提出了一个很颠覆三观的概念:同时性的相对性。具体来说就是:

在一个坐标下看是同时发生的两件事情,换一个坐标系就很有可能不是同时发生的了。

那具体咋回事呢?

我们也来向爱因斯坦学习,玩一玩思想实验。首先,我们可以想象一下,有两列大小一模一样的火车,它们相向而行,并且相对于地面速度的大小是一样的。

只不过两个火车不是在同一个轨道上,而是双层的平行轨道,一辆火车在上面,另一辆在下面。我们规定,“事件A”是上面火车车头和下面火车车尾相遇“事件B”是下面火车车头和上面火车车尾相遇。

那么,问题来了,到底是'事件A“先发生,还是“事件B”先发生呢?

当然,如果你是在地面上看,两个事件确实是同时发生的。

但是,如果你是在上面的火车上,那下面的火车相对于你是有运动的。上面我们也讲到了尺缩效应。所以,你看到的是:下面的火车比你所在的火车要短一些。因此,你看到的场景就会是这样:

也就是说,在上面的火车里看到的是:'事件A“发生在前,“事件B”发生在后。

如果你是在下面的火车上,那上面的火车相对于你也是有运动的。还是因为尺缩效应。所以,你会发现上面的火车比你所在的火车要短一些。所以,你看到的场景应该是这样:

也就是说,在下面的火车里看到的是:'事件B“发生在前,“事件A”发生在后。

不过,这里要注意一点,只有速度非常大的时候,越接近于光速,这种效应才会越明显。低速的情况下,我们肉眼根本看不出任何差别来。

因此,“同时”也是一个相对的概念,都是基于参考系而言的,不同的参考系,情况是不同的。

基于这样的认知,爱因斯坦曾经的数学老师,闵可夫斯基提出了“光锥”的概念。

我们可以基于任意事件建立一个坐标系,横坐标代表空间,纵坐标代表时间,画出关于一个事件在坐标系中的时空位置。

要注意了,这个光锥是专门针对事件而言的,未来光锥指的是:

现在对未来的事件的影响。

比如,下图中此刻的事件A,就很有可能对事件B产生影响。

而过去光锥指的是

对现在有影响的过去事件。

意思是说,只有发生在“过去光锥”之内的事件,才会影响现在。在“过去光锥”之外的过去事件,由于光速的限制,还无法对现在产生影响。

比如:我写下这篇文章是事件A,而你看到这篇文章则是事件B。

所以,有一句很有名的话是这么说的:

光锥之内就是命运。

所有现状,都是过去光锥的事件导致的,而过去的事件已经发生,我们根本无能为力去改变。如果更进一步,我们会发现,我们永远无法活在当下,因为我们所谓的“当下”都是过去造成的。

举个例子,你照镜子,你看到的其实是过去的自己,而不是现在的自己,这是因为你的脸反射光到镜子上,镜子再反射光到你的眼睛里,光走过这段路程需要时间,因此,你看到的其实是过去的自己。

也就是说,你看到的所有事件其实都是发生在过去的,过去的事件影响到当下是需要时间的;而当下发生的事件影响的不是当下,而是未来,这就是时间光锥给我们的启示。可以说,爱因斯坦通过狭义相对论只统一了时间和空间,但这还没完。

质量就是能量

1905年9月份,在发表了狭义相对论之后,爱因斯坦又发表了另外一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》,爱因斯坦在这篇文章当中统一了质量和能量,并提出了那个著名的质能方程:

那我们该如何理解质能方程呢?

在爱因斯坦之前,拉瓦锡提出了“质量守恒定律”,而牛顿力学中,能量是守恒的。不过,爱因斯坦认为:

能量和质量并非独立保持不变的,它们其实是一回事。

著名科学家大栗博司曾举过这样一个例子:

假如你在中国和美国都有存款账户,两个账户的存款价值不会发生改变。但是由于是分属两个国家,想要把钱从一个账户转移到另一个账户,就需要通过汇率进行换算。这里,我们可以把人民币看成是能量,把美元看成是质量,如果总和保持不变,能量和质量能够进行转化。那么E=mc^2就表示了能量和质量的汇率,其中光速c就是汇率制。

这个公式解释了为什么原子弹的威力如此之大,这是因为原子核爆炸前后的质量有亏损,这些质量都转换成了能量。

关于狭义相对论其实内容还有很多,这次就说这么多。想要深入地了解狭义相对论,其实需要动笔做做数学计算,这是因为相对论是反常识的。为什么会反常识呢?

我们生活在宏观低速的世界里,在这个尺度下,相对论效应实在太小。是人无法感受到的,连仪器都很难测到。在宏观低速的情况下,相对论是和牛顿力学等效的。而相对论效应只有在速度越接近于光速时,才越明显。

这是因为这个原因,我们才会觉得相对论很反常识。这告诉我们一个道理:

不要被眼前的生活所欺骗,多去看看外面的世界,只有跳出自己的生活,才能够更深刻地理解世界。

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。请注意甄别内容中的联系方式、诱导购买等信息,谨防诈骗。如发现有害或侵权内容,请点击一键举报。
    转藏 全屏 打印 分享 献花(0

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章 更多