相对论1:一个简单的信念
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相对论1:一个简单的信念

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从今天开始,我们就来讲讲爱因斯坦的狭义和广义相对论。 相对论对绝大多数人来说是个神秘的理论。 你肯定已经听说过有关相对论的一些有趣的和怪异的结论, 比如说,一个物体在高速运动的时候,它的长度会变短,它的时间会变慢。 咱们假设有一个距离地球40光年远的星球。光需要走40年才能到达那里。 那么如果你以80%的光速前往那个星球,你得飞行50年才能到达那里, 对吧?在留在地球的我们看来的确是这样。如果你出发的时候20岁,到达的时候应该是70岁吗? 不是。根据相对论效应,高速运动的物体的时间会变慢。 寻常的50年对你来说只有30年,你到达的时候,只有50岁! 而你要是能以99.5%的光速飞行,你的时间将会比我们慢10倍! 这也就是说相对论效应可以让人穿越到未来。 这个世界为什么是这样的?这不是科幻,而且这还仅仅是开胃菜……相对论, 本质上是关于时空的理论 —— 时空跟我们寻常想象的完全不同。 正是因为有了相对论,我们才知道有黑洞这种东西,我们才知道空间居然会膨胀,我们才知道宇宙有个起源。 而相对论是一个出了名的难懂的理论。据说爱因斯坦刚刚发表狭义相对论的时候,全世界只有2.5个人能理解。 等到相对论已经被物理学家广泛接受、爱因斯坦爆得大名,公众又理解不了。 我记得欧洲当时还出了一本书叫《一百个反对爱因斯坦的作家》 —— 而爱因斯坦对此的回答是“如果相对论真的错了,有一个人反对就够了。” 那相对论真的这么难吗?你要知道爱因斯坦发表狭义相对论是在1905年,距离今天已经100多年了。 我们没有理由不能理解一个清朝末年就出来了的理论! 所以我就想在咱们《精英日课》专栏用一个小专题的形式,给你彻底讲明白相对论。相对论的数学很简单,但我们重点还是说它的思想。 相对论会对你的世界观产生重大影响。作为一个现代人,如果不理解爱因斯坦相对论,你就错过了这个世界最精彩的东西。一旦理解了相对论,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结论可不算理解。 我有一个好消息。相对论是简单的。这是一个干净利索的漂亮理论。 但简单不等于容易。简单的东西可以非常深刻。

一个信念

咱们先来考虑一个思想实验。假设你在一艘豪华游轮上旅行,这艘游轮在海上开的速度很快,但是它非常平稳,没有任何颠簸。游轮上有个全封闭的大厅,里面有游泳池有球场,你甚至还可以在里面做物理实验。 那请问,在不和外界发生任何联系的情况下,你能判断出这艘游轮是在前进还是静止不动吗? 你可以做各种实验。比如说把球抛到空中,在静止的情况下,球会落回你的手中。可是封闭游轮里也是这样,球也会落回你的手里。你向游轮前进的方向射门,同在游轮上的守门员只会感到你射门的寻常速度,而不需要考虑游轮的速度。 只要游轮的速度平稳不发生变化,你就无法判断它是在运动还是静止!其实我们生活的地球就相当于是这样一个游轮。地球绕太阳公转的速度是每秒29.8公里,比飞机快的多,但因为地球走得几乎是一条直线,你完全感觉不到它正在高速前进。 这个道理,最早是物理学的祖师爷伽利略想明白的。你在速度是每小时50公里的游轮上建立一个坐标系研究物理学,我在地面建立一个坐标系,咱俩其实是对等的。你相对于游轮是静止的,相对于我是运动的。你向前射出一支箭,箭相对于你的速度是每小时360公里,那相对于我就是每小时 360 + 50 = 410 公里。 不跳出自己的坐标系往外看,你单凭做一个射箭、抛小球之类的实验无法区分运动和静止。匀速直线运动和静止没有本质区别,速度都是相对的。 这个其实就是相对论,这就叫“伽利略的相对论”。 后面咱们讲广义相对论的时候你还会知道,其实不一定是匀速直线运动,加速运动跟静止也没有本质区别……到时候再说。 总而言之,物理学家看破了运动。在物理学家的眼中,运动和静止其实是一回事儿。

看破世间繁华

物理学,有点看破红尘的意思。 以前人们眼中非常不一样的两个东西,物理学家发现它们其实是一回事儿,这是物理学统一世界的一个主旋律。 古人认为大地静止不动,日月星辰都绕着地球做完美的圆周运动。天和地,截然不同。可是后来天文学家精细的观测发现不对,天体运行的轨迹并没有那么完美,很复杂。 结果哥白尼就提出来,说如果你把太阳当做是静止不动,想象地球和其他行星都在绕着太阳做圆周运动的话,你就容易解释以前解释不了的一些轨道。地球,不是宇宙的中心。 这个日心说就有点看破红尘的意味。哥白尼等于是说地球和天上的那些天体没有本质的区别,天和地是一回事儿! 天主教会受不了这个学说,而物理学的思想解放才刚刚开始。哥白尼那时候人们还以为行星都是做圆周运动,而且是有一些小精灵在推着行星运动……等到天文学家开普勒的时候,他就提出行星绕着太阳转的轨道并不是完美的圆形,而是一个椭圆。开普勒甚至已经提出行星不需要什么精灵推着走,只要太阳给行星一个吸引力就行。开普勒,把行星给看破了。 等到牛顿一出手,就把引力也给看破了。牛顿说不但太阳和地球之间有引力,地球上的所有有重量的东西之间也都有引力。引力普遍存在,天上和地上真的是一回事儿。 这几次“看破”之后,当然还得再结合数学方程和天文观测,物理学就成了一个非常成功的理论。咱们看看“牛顿三大定律”中的前两个 —— 第一定律说是在没有外力的作用的情况下,任何一个物体将会保持匀速直线运动或者是静止。匀速直线运动和静止一样,无需外力,无需解释。 第二定律说,力,会改变物体的运动方式。注意这里面有个关键的点,力不是运动的原因 —— 没有力,物体本来也在匀速直线运动。力,是改变运动的原因。如果是一个理想的光滑平面,上面的一个滚动的乒乓球会一直前进 —— 生活中的乒乓球之所以会停下来,那是因为平面给它提供了摩擦力。一直动不停,无需解释;动着动着停下了,才需要有个原因。 这两个定律都离不开伽利略的相对论。力只能带来加速度,单纯的速度跟力无关。匀速直线运动和静止都没有力,所以物理定律在游轮和地面是一样的。 其实你不做实验也能想明白,单纯谈速度真没啥意义。宇宙中你来我往,可能距离地球很遥远的一个星球,跟我们之间就有个特别高的相对速度。那你说,那个天体上的物理定律会和咱们这里有什么不一样吗?不会的。在那里的外星人看来他们是静止的,我们才是在高速运动。 所以相对论是物理学家的一个信念。这个信念也可以叫“不特殊论”:不管你的速度有多快,你的坐标系都不特殊。 这个信念实在太简单也太完美了。完美到简直是宁可海枯石烂,宁可扭转时空,物理学家也不应该放弃它……

“相对论与哲学家”

爱因斯坦的相对论其实是伽利略相对论的延伸。伽利略相对论是说如果你不往自己的坐标系之外看,你做任何抛小球之类的力学实验都无法判断自己是运动还是静止 —— 而爱因斯坦相对论则是说,不用限制在力学,你不管做什么实验都无法判断自己是运动还是静止。 那你说这句话能有啥问题?相对论这不很容易吗?这简直就是哲学! 还真是这样。哲学家很喜欢谈论相对论。但是物理学家对哲学家有时候是嘲讽的态度。有一套特别厉害的物理学教材叫《费曼物理学讲义》,是大概有史以来最有趣的物理学家理查德·费曼在加州理工学院给本科生讲课的记录。费曼在这个讲义里专门设置了一个小节,叫“相对论与哲学家”。 费曼说,有些哲学家把相对论想的特别容易。哲学家听说了相对论的这个信念,就觉得这对我们哲学家来说不是明摆着的原理吗?不跳出自己的坐标系你当然不知道自己是运动还是静止!物理学家折腾半天,结果还不是我们哲学家等候多时了吗? 是吗?相对论如此平凡吗?哲学家坐在家里喝着茶就能想出来吗?牛顿以后的物理学之所以不叫哲学了,就是因为物理学不是坐在家里就能想出来的学问,物理学家靠的是数学、实验和观测。 接下来我们要讲的事实,足以让费曼嘲笑那些哲学家。因为它足以让所有人 —— 包括你、哲学家和物理学家 —— 都目瞪口呆。 这件事就是光速在所有坐标系下是一样的。 咱们再回到游轮。假设站在游轮上的你不是向游轮前方射出一支箭,而是用手电筒打出一束光,你猜这束光的速度应该怎样。相对于你来说,光速是每秒30万公里。 那既然你跟站在地面上的我的相对速度是每小时360公里 —— 也就是每秒0.1公里,根据刚才伽利略的算法,我眼中这束光的速度就应该是每秒30万.1公里,对吧? 物理学家发现,不是这样的。不管你跟我的相对速度有多快,我测量和你测量这束光的速度都是每秒30万公里! 可这怎么可能呢?我们这个世界怎么会是这样的呢? 这件事,哲学家坐在家里喝多少茶都发现不了。你之所以觉得它怪异,只不过是因为你生活的范围实在太小了,你的见识太有限了。 有些信念可以坚持,但是别忘了,有些常识是错的。咱们下一讲再说。

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