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时空一体:时间膨胀,空间收缩 08
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2023.09.12 广东

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狭义相对论告诉我们,运动的物体时间会变慢,长度会变短,即时间膨胀和空间收缩。

也就是说天天做飞机的人会比我们年轻?不,飞机的速度相对于光速太慢了,不值一提!

爱因斯坦的狭义相对论,统一了时间和空间,后来也统一了质量和能量。

万维钢说,物理学的发展就像是高人看破红尘一样戏剧,19世纪之前人们认为对的理论在19世纪被推翻,再到后来量子力学的诞生又一次颠覆物理学的大厦。

比如前面的牛顿经典物理在高速运动的研究对象面前会被颠覆,而当引力出现时,狭义相对论将失败,取而代之的是一组叫广义相对论的新定律,在黑洞内部奇点的邻近,广义相对论将失败,取而代之的是一组叫量子引力的新定律。

你看,连定律都是有个度量,更不用说我们工作和生活中的琐事了。

01 时间膨胀告诉我们可以“长寿”

科学上曾经做了一个实验,一种叫做“μ子”的基本粒子。μ子可以视为是电子的一个变种,它是一种非常短命粒子。

因为一个μ子很容易就变成一个电子和两个中微子,物理学家管这个过程叫“衰变”。μ子在静止坐标系下的半衰期只有2.2微秒 —— 1微秒是一百万分之一秒,而这句话的意思是说,给你一堆μ子,它们每隔2.2微秒,就会死掉一半。

但是我们说了粒子不会变老,所以剩下的这一半μ子的半衰期,还是2.2微秒 —— 也就是说再过2.2微秒,它们还会再死一半。就按照这个固定的速率衰变。

地球天空中的高速宇宙射线中就有μ子,它们一边冲向地面,一边衰变 —— 你可以想象,能成功活着到达地面的μ子,应该是很少的。

1941年,物理学家拿μ子验证了相对论 。他们首先在美国华盛顿山的山顶上用仪器测量了μ子流的密度,他们专门统计那些速度是 0.994c 的μ子,看看在一定的面积内,一小时能收集到多少个这个速度的μ子。

华盛顿山的高度大约是2公里。这些μ子从山顶到达山底大约需要走6.7微秒。如果这些高速μ子的半衰期跟静止μ子一样,那么这6.7微秒可是好几个半衰期,山底收集到的μ子数应该是山顶的 8.5 分之一。

可是,如果相对论是对的,那么这些速度是 0.994c 的μ子的时间就应该变慢,它们的半衰期就应该变长,那么你在山底就应该收集到更多的μ子。这就相当于飞船上的一群宇航员,走了很远的距离本来应该几乎全死了,结果却没有死多少。

实验结果,山底收集到的μ子数是山顶的 1.3 分之一。这些μ子真的通过高速运动保持了青春 —— 这正是相对论预言的结果,数值丝毫不差。

1979年物理学家又做了一次实验,他们用欧洲核子中心的粒子加速器把μ子加速到了0.9994c,结果这些μ子的平均寿命就被延长了29.3倍!

相对论不但正确,而且非常精确。

所以,如果你能把速度提高到无比地接近光速,那你的一天是地面上的人一年、甚至一千年,在理论上都是可能的。你就等于是穿越到了未来。

02 质量 = 能量

在牛顿力学中,所有定律都隐含着这样一个基本前提,即物体的质量是不变的。而根据狭义相对论,物体的质量不是恒定不变的,质量也是相对的。

物体的运动速度越快,质量就越大。当物体的速度趋近光速时,它的质量变成无限大。

所以超越光速是不可能的,之所以光是光,那是因为光子是没有质量的。

爱因斯坦进一步思考,几乎所有的物体都必须使用时钟与量尺来测量,既然时钟和量尺都是变化的,所以我们必须校正所有的物理量。于是,他导出了两个重大的结论:

第一,质量可以转换为能量。质量=能量

第二,每个物体的惯性在物体接近光速时,质量会变到无穷大,也就是速度越快,重量越重。

这个结论,又一举颠覆了19世纪的两大物理发现,那就是著名的E=MC²,C代表光速,大约每秒30万千米。E是静止物体所含的能量;M是它的质量。属于质量M的能量等于这质量乘以光的巨大速率的平方。那就是说,对于每一单位质量都有一个巨大数量的能量。

这也就是当年原子弹发明的理论依据。

03 狭义相对论的危机

牛顿万有引力的精髓是物体质量的存在导致了引力,万有引力是和质量有关的,质量越大引力越大,物质的密度大了一些,引力就会大。这在牛顿之后的两百多年里被认为是宇宙间的绝对真理。

引力存在于宇宙所有物质和能量之间,是人类最早认识的一种基本作用力。引力作用支配着宇宙的形成和演化。在牛顿的经典力学中,万有引力被认为是一种超距作用,是瞬时传播的,速度远远大于光速。爱因斯坦发表狭义相对论以后,多位科学家以引力传播速度大于光速为由,对狭义相对论提出质疑。爱因斯坦很清楚,如果引力的速度是超光速的,那么狭义相对论的基础就不会存在。

接下来就诞生了广义相对论!下篇谈。

总结

伟大的人,其精神总会让我们肃然起敬,很多对于爱因斯坦的传记都说,爱因斯坦小时候成绩不是很好。但实际不是这样的,天才总有天才的运气,爱因斯坦从小就对数学和物理感兴趣,所以他创造了很多神话。

我想,如果爱因斯坦出生在牛顿那个年代,说不定爱因斯坦创造的成果和牛顿相当,并不会出现相对论这样具有颠覆性的神话。

牛顿是站在笛卡尔肩膀上做研究,而爱因斯坦是在牛顿+麦克斯韦的肩膀上做研究。

我看到的是不断优化!

参考文献:

  1. 《万维钢经营日课》

  2. 《时空简史》

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