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相对论,一定是有趣的

已有 1004 次阅读 2023-9-9 23:01 |个人分类:小科普|系统分类:科普集锦

曾经有人问爱因斯坦,什么是相对论。爱因斯坦答道:当你夏天坐在火炉旁边,感觉1分钟如同2小时之长;而当你坐在美女旁边,则感觉2小时只有1分钟之短,这就是相对论。

虽然这是一则幽默,但却能够形象地帮助我们想象相对论中时间相对性的感觉。

提到相对论,默认是指爱因斯坦的相对论,创立于1905年-1915年,包含狭义相对论和广义相对论两大部分。也许让人不解的是,早在400多年前,伽利略不就提出了运动的相对性吗?

的确,仅从文字上看,此两个“相对性”是同义的,都指物质运动具有相对性。你对我是运动的,那么我对你也必是运动的,二者完全等同,任何一方均无优劣,但伽利略相对性只适用于低速运动,且限于力学运动学范围,而爱因斯坦相对性扩展到整个宏观物理学领域,连时间、空间、质量都是相对的、可变的。

相对论彻底颠覆了人类的思想认知,哲学也因相对论而改变了内容和观点。相对论成功预言了光线弯曲、引力波等重大的宇宙问题,是目前解释宏观宇宙的普适理论,我们日常生活中的卫星时间、核能发电都需要相对论理论的指导。这是爱因斯坦成为迄今最伟大的两位科学家之一的重要原因,另一位是牛顿。

爱因斯坦创立相对论时,还具有一个独到之处:他一直是在头脑中进行思想实验,然后获得理论,而其它的所有科学理论,均是基于已有实验结果或现象,然后通过分析而获得的。

爱因斯坦相对论向下兼容伽利略的相对性,二者不是对立的。在低速情况下,爱因斯坦的运动相对性就简化为伽利略相对性。而在高速情况下,伽利略相对性,包括牛顿力学则不适用。这里的高速、低速,是和光速相比而言。远小于光速的,如日常所见的速度,即为低速;相比光速不能忽略的速度,比如百分之一光速的运动,则可视为高速。

爱因斯坦mc2.jpg

爱因斯坦mc2.jpg、相对论主要内容

这里且列狭义相对论的几条主要内容:

1、宇宙中光速不变。不论你处于静止,还是在任意速度的飞船上,你测得的光速都是相等的。光速是宇宙中的绝对不变量。这是迄今所知宇宙中唯一的绝对量。

2、相对性原理。物理规律在所有惯性系中都是相同的,没有特殊的参考系。简要理解为:在地面上和在飞船上分别作同一个物理实验,各自获得的结果是完全相同的。

3、宇宙中光速最大。任何物体速度都不能超过光速,不论用多大能量来加速物体,物体速度都不会达到光速,只能接近光速。

4、长度收缩。高速运动的物体,其长度变短。变短的程度与速度相关。

5、时间膨胀高速运动的物体,其时间流逝得慢(即膨胀)。变慢的程度与速度相关。

6、质量变大。高速运动的物体,其质量变大。变大的程度与速度相关。

7、同时性的相对性。似乎有点拗口,其意是,同时性也是变化的。举例:你观看跳水运动时,有两个运动员极其精确地同时起跳,但在另一个惯性系参里的人看来,此俩运动员却是一个先跳,一个后跳。

8、质量能量相关。质量和能量存在关系E=mC2 (光速平方),这表明质量和能量是等同的,并且可以相互转化。该公式被誉为最美的十大科学公式之一,是核能设计利用的理论基础。

上述8点中,第1点是在相对论创立之前已被证实的结论,爱因斯坦以此作为创建相对论的基本公理,第2点是爱因斯坦提出的科学假设,其余几点均是相对论理论导出的结果。这些结果表明,时间、空间和质量并非固定不变,而是和物体自身运动状态紧密相关。这些结论完全颠覆了人类自诞生以来所形成的经验、思想和认知,甚至难以被大多数科学家们接受,据说这是相对论未能获得诺奖的原因。

相对论给出的这些时空结论,特别是孪生佯谬和长度伸缩,是非常有趣的。孪生佯谬是时间膨胀的典型应用,这两种现象均已得到证实。

二、孪生佯谬

佯谬是指一种看起来是错误的,但实际上却不是错误的现象。

话说一对双胞胎甲和乙,在年轻时,甲乘坐高速飞船遨游太空,乙在地球家里宅着。几年后,甲结束太空之旅回到家时,发现胞兄乙成了白发老人,而甲自己不过增长几岁,依旧年轻如故。这种不可思议的结论,是高速运动产生的相对论时间膨胀效应,并不是甲在天上吃了长生不老的丹药,也不是太空生态环境的美好,而是甲的时间比乙的时间跑得慢,这种效应已被大量实验或事实所证实。看似谬误,实非谬误。简言之,运动者的时间跑得慢。

这个结论类似西游记中“天上一日,地上一年”的说法。400多年前的神话竟和现代科学理论相当契合,佩服作者吴承恩天马行空的浪漫想象。根据相对论,只要选择合适的飞船速度,完全可以实现甲在天上度一日、乙在地上过一年的奇幻光景。

孙悟空.jpg

但是,细究一下,我们会发现两个问题:

其一,甲在飞行,乙宅家里,因此甲更年轻。但是根据相对性原理,在甲看来,乙在运动,那么乙应该更年轻。各自都认为对方年轻,这就矛盾了。甲乙究竟谁更年轻?或是相对论错了吗?

其二,甲在天上飞一日,乙在地上过一年,那么,甲在飞船上的一天等于365个地球日那么长吗?这么长的一天,他该吃多少顿饭?同样换位思考:在甲看来,地球上乙在运动,那么乙的一天应该等于一年,但宅在家里的乙从来没有感觉到丝毫的变化。为什么?

设想一下,在茫茫宇宙中,很容易能找一个相对地球高速飞行的星球A,那么,在星球A生物看来,我们在高速飞行,时间膨胀明显。同样,我们也不难找到一个低速飞行星球B,在B生物看来,我们也是低速飞行,时间膨胀忽略不计。那么,我们到底是变得更年轻了,还是岁月依旧?其实,我们始终一如既往,一日三餐,一年365天,与别人的观察与否毫无关系,我们的生命进程不会因为别人飞天而被加速或减速。每个人的时间都是自身固有的,不像量子状态那样受到观察而瞬变。

那么,时间膨胀是否客观存在?合理的解释是,如果胞兄甲在天上转360度,回到地球家里,那么,就确实出现甲比乙更年轻的客观事实。也就是说,二者只有处于同一地点、同一时间的节点上进行比较时,时间膨胀效应才能体现出来。这真是没有比较,就没有“伤害”。两个做相对运动的人,各自都可以认为对方时间流逝得更慢,但隔空的比较却不具有客观意义。

飞船X.jpg


三、长度伸缩

物体运动时,它的长度会变短。这同样也会产生佯谬。一个有趣的例子:一列火车和隧道等长,当火车运动进入隧道时,火车变得比隧道短,在火车头刚到隧道出口时,地面一歹徒向火车后端的隧道入口射击,但因为运动的火车比隧道短,因此,火车尾部处于隧道之内,子弹不能击中火车尾部乘客。

但是,在火车上人看来,隧道在运动,其长度比火车短,隧道包不住火车,那么外面的歹徒就击中了火车尾部乘客。

问题来了:歹徒到底有没有击中火车尾部乘客?乘客要么被击中而死,要么没被击中而活。死和活是一个客观事实,不可能出现火车上看到乘客死亡、地面人看到乘客无恙这种矛盾。客观事实不会因视角而变。

上面疑问确实令人迷惑。解答这个疑问的关键是,相对论中的同时性也是相对的。在火车上人看来,地面歹徒开枪时刻比地面时间晚一点,也就是歹徒开枪时,火车尾部已经进入隧道了。所以,相对论推演的结论是唯一的、协同的。

对于爱因斯坦的相对论,当时许多大科学家都不理解,或不被接受,一度被戏称为全世界只有2.5个人懂得的理论。如今,相对论理论早已被实验和事实所验证,是宏观宇宙学的基础理论。

四、关于地心说和日心说

根据爱因斯坦相对性原理,所有运动都是相对的、等同的,那么,地球围绕太阳转、太阳围绕地球转,二者都应该是正确的。是的,二者都对!这不是为地心说翻案。在相对论看来,地心说、日心说不过是选择了不同的参考系。参考系是相对论推演中不可或缺的出发点,但不存在特别的参考系。日心说的先进性,在于解决了地心说所不能解决的问题,优化了理论架构。地心说也好,日心说也罢,它们各自都只适用于一定的时空条件。同样,相对论也有其适用范围,它无法应用于微观量子领域。迄今为止,适用于整个宇宙的大统一理论尚未诞生。

太阳系行星.gif




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