相對論1:一個簡單的信念

相對論1:一個簡單的信念

從今天開始,我們就來講講愛因斯坦的狹義和廣義相對論。

相對論對絕大多數人來說是個神秘的理論。你肯定已經聽說過有關相對論的一些有趣的和怪異的結論,比如說,一個物體在高速運動的時候,它的長度會變短,它的時間會變慢。

咱們假設有一個距離地球40光年遠的星球。光需要走40年才能到達那裡。那麼如果你以80%的光速前往那個星球,你得飛行50年才能到達那裡,對吧?在留在地球的我們看來的確是這樣。如果你出發的時候20歲,到達的時候應該是70歲嗎?

不是。根據相對論效應,高速運動的物體的時間會變慢。尋常的50年對你來說只有30年,你到達的時候,只有50歲!而你要是能以99.5%的光速飛行,你的時間將會比我們慢10倍!

這也就是說相對論效應可以讓人穿越到未來。這個世界為什麼是這樣的?這不是科幻,而且這還僅僅是開胃菜……相對論,本質上是關於時空的理論 —— 時空跟我們尋常想象的完全不同。正是因為有了相對論,我們才知道有黑洞這種東西,我們才知道空間居然會膨脹,我們才知道宇宙有個起源。

而相對論是一個出了名的難懂的理論。據說愛因斯坦剛剛發表狹義相對論的時候,全世界只有2.5個人能理解。等到相對論已經被物理學家廣泛接受、愛因斯坦爆得大名,公眾又理解不了。我記得歐洲當時還出了一本書叫《一百個反對愛因斯坦的作家》 —— 而愛因斯坦對此的回答是“如果相對論真的錯了,有一個人反對就夠了。”

那相對論真的這麼難嗎?你要知道愛因斯坦發表狹義相對論是在1905年,距離今天已經100多年了。我們沒有理由不能理解一個清朝末年就出來了的理論!

所以我就想在咱們《精英日課》專欄用一個小專題的形式,給你徹底講明白相對論。相對論的數學很簡單,但我們重點還是說它的思想。

相對論會對你的世界觀產生重大影響。作為一個現代人,如果不理解愛因斯坦相對論,你就錯過了這個世界最精彩的東西。一旦理解了相對論,你就不再是以前的你,你就再也回不去了。但是光知道一些奇妙的結論可不算理解。

我有一個好消息。相對論是簡單的。這是一個乾淨利索的漂亮理論。

但簡單不等於容易。簡單的東西可以非常深刻。

1.一個信念

咱們先來考慮一個思想實驗。假設你在一艘豪華遊輪上旅行,這艘遊輪在海上開的速度很快,但是它非常平穩,沒有任何顛簸。遊輪上有個全封閉的大廳,裡面有游泳池有球場,你甚至還可以在裡面做物理實驗。

那請問,在不和外界發生任何聯繫的情況下,你能判斷出這艘遊輪是在前進還是靜止不動嗎?

你可以做各種實驗。比如說把球拋到空中,在靜止的情況下,球會落回你的手中。可是封閉遊輪裡也是這樣,球也會落回你的手裡。你向遊輪前進的方向射門,同在遊輪上的守門員只會感到你射門的尋常速度,而不需要考慮遊輪的速度。

只要遊輪的速度平穩不發生變化,你就無法判斷它是在運動還是靜止!其實我們生活的地球就相當於是這樣一個遊輪。地球繞太陽公轉的速度是每秒29.8公里,比飛機快的多,但因為地球走得幾乎是一條直線,你完全感覺不到它正在高速前進。

這個道理,最早是物理學的祖師爺伽利略想明白的。你在速度是每小時50公里的遊輪上建立一個座標系研究物理學,我在地面建立一個座標系,咱倆其實是對等的。你相對於遊輪是靜止的,相對於我是運動的。你向前射出一支箭,箭相對於你的速度是每小時360公里,那相對於我就是每小時 360 + 50 = 410 公里。

不跳出自己的座標系往外看,你單憑做一個射箭、拋小球之類的實驗無法區分運動和靜止。勻速直線運動和靜止沒有本質區別,速度都是相對的。

這個其實就是相對論,這就叫“伽利略的相對論”。

相對論1:一個簡單的信念

後面咱們講廣義相對論的時候你還會知道,其實不一定是勻速直線運動,加速運動跟靜止也沒有本質區別……到時候再說。

總而言之,物理學家看破了運動。在物理學家的眼中,運動和靜止其實是一回事兒。

2.看破世間繁華

物理學,有點看破紅塵的意思。

以前人們眼中非常不一樣的兩個東西,物理學家發現它們其實是一回事兒,這是物理學統一世界的一個主旋律。

古人認為大地靜止不動,日月星辰都繞著地球做完美的圓周運動。天和地,截然不同。可是後來天文學家精細的觀測發現不對,天體運行的軌跡並沒有那麼完美,很複雜。

結果哥白尼就提出來,說如果你把太陽當做是靜止不動,想象地球和其他行星都在繞著太陽做圓周運動的話,你就容易解釋以前解釋不了的一些軌道。地球,不是宇宙的中心。

這個日心說就有點看破紅塵的意味。哥白尼等於是說地球和天上的那些天體沒有本質的區別,天和地是一回事兒!

天主教會受不了這個學說,而物理學的思想解放才剛剛開始。哥白尼那時候人們還以為行星都是做圓周運動,而且是有一些小精靈在推著行星運動……等到天文學家開普勒的時候,他就提出行星繞著太陽轉的軌道並不是完美的圓形,而是一個橢圓。開普勒甚至已經提出行星不需要什麼精靈推著走,只要太陽給行星一個吸引力就行。開普勒,把行星給看破了。

等到牛頓一出手,就把引力也給看破了。牛頓說不但太陽和地球之間有引力,地球上的所有有重量的東西之間也都有引力。引力普遍存在,天上和地上真的是一回事兒。

這幾次“看破”之後,當然還得再結合數學方程和天文觀測,物理學就成了一個非常成功的理論。咱們看看“牛頓三大定律”中的前兩個 ——

第一定律說是在沒有外力的作用的情況下,任何一個物體將會保持勻速直線運動或者是靜止。勻速直線運動和靜止一樣,無需外力,無需解釋。

第二定律說,力,會改變物體的運動方式。注意這裡面有個關鍵的點,力不是*運動的原因* —— 沒有力,物體本來也在勻速直線運動。力,是*改變*運動的原因。如果是一個理想的光滑平面,上面的一個滾動的乒乓球會一直前進 —— 生活中的乒乓球之所以會停下來,那是因為平面給它提供了摩擦力。一直動不停,無需解釋;動著動著停下了,才需要有個原因。

這兩個定律都離不開伽利略的相對論。力只能帶來*加*速度,單純的速度跟力無關。勻速直線運動和靜止都沒有力,所以物理定律在遊輪和地面是一樣的。

其實你不做實驗也能想明白,單純談速度真沒啥意義。宇宙中你來我往,可能距離地球很遙遠的一個星球,跟我們之間就有個特別高的相對速度。那你說,那個天體上的物理定律會和咱們這裡有什麼不一樣嗎?不會的。在那裡的外星人看來他們是靜止的,我們才是在高速運動。

所以相對論是物理學家的一個信念。這個信念也可以叫“不特殊論”:不管你的速度有多快,你的座標系都不特殊。

這個信念實在太簡單也太完美了。完美到簡直是寧可海枯石爛,寧可扭轉時空,物理學家也不應該放棄它……

3.“相對論與哲學家”

愛因斯坦的相對論其實是伽利略相對論的延伸。伽利略相對論是說如果你不往自己的座標系之外看,你做任何拋小球之類的*力學*實驗都無法判斷自己是運動還是靜止 —— 而愛因斯坦相對論則是說,不用限制在力學,你*不管做什麼*實驗都無法判斷自己是運動還是靜止。

那你說這句話能有啥問題?相對論這不很容易嗎?這簡直就是哲學!

還真是這樣。哲學家很喜歡談論相對論。但是物理學家對哲學家有時候是嘲諷的態度。有一套特別厲害的物理學教材叫《費曼物理學講義》,是大概有史以來最有趣的物理學家理查德·費曼在加州理工學院給本科生講課的記錄。費曼在這個講義裡專門設置了一個小節,叫“相對論與哲學家”。

費曼說,有些哲學家把相對論想的特別容易。哲學家聽說了相對論的這個信念,就覺得這對我們哲學家來說不是明擺著的原理嗎?不跳出自己的座標系你當然不知道自己是運動還是靜止!物理學家折騰半天,結果還不是我們哲學家等候多時了嗎?

是嗎?相對論如此平凡嗎?哲學家坐在家裡喝著茶就能想出來嗎?牛頓以後的物理學之所以不叫哲學了,就是因為物理學不是坐在家裡就能想出來的學問,物理學家靠的是數學、實驗和觀測。

接下來我們要講的事實,足以讓費曼嘲笑那些哲學家。因為它足以讓所有人 —— 包括你、哲學家和物理學家 —— 都目瞪口呆。

這件事就是光速在所有座標系下是一樣的。

咱們再回到遊輪。假設站在遊輪上的你不是向遊輪前方射出一支箭,而是用手電筒打出一束光,你猜這束光的速度應該怎樣。相對於你來說,光速是每秒30萬公里。

那既然你跟站在地面上的我的相對速度是每小時360公里 —— 也就是每秒0.1公里,根據剛才伽利略的算法,我眼中這束光的速度就應該是每秒30萬.1公里,對吧?

物理學家發現,不是這樣的。不管你跟我的相對速度有多快,我測量和你測量這束光的速度*都是每秒30萬公里*!

可這怎麼可能呢?我們這個世界怎麼會是這樣的呢?

這件事,哲學家坐在家裡喝多少茶都發現不了。你之所以覺得它怪異,只不過是因為你生活的範圍實在太小了,你的見識太有限了。

有些信念可以堅持,但是別忘了,有些常識是錯的。咱們下一講再說。

相對論1:一個簡單的信念

我想知道上帝是如何創造這個世界的。對於這個或那個現象、這個或那個元素的譜,我不感興趣。我想知道的是他的思想。其他都是細節問題。— 阿爾伯特·愛因斯坦

相對論1:一個簡單的信念


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