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随笔|关于“相对论”的认识

作者:李强

前段时间把《时间简史》看完了,看的很快,一是因为字本来就不多,二是因为里面的字基本都认识,但是放在一起就不知道说的是啥意思,让我深深慨叹物理学的深奥,以及那些物理学家们的伟大。不过这本书并没有白看,它让我对“相对论”是什么东西有了一点认识,也算是一种收获吧。

全球大部分人应该都知道“相对论”这个名词,以及它的发明者爱因斯坦,也都知道E=MC2这个可以说是20世纪最伟大的发现。但是E=MC2和相对论到底是什么关系?相对论到底在说些什么?狭义和广义相对论有什么区别?估计除了专门研究物理的人,能回答上来的人应该不多。狭义相对论提出的诱因是为了解决“以太”中光速测量问题。19世纪,科学界提出我们周围空间中充斥着“以太”这种介质,来传播声波、光波、电磁波等,根据这理论,相对“以太”这个静止的介质来说,如果我们与光速同行,测量出来的光速要比静止测量出的光速慢,就好比和汽车一起跑测量出来的车速要比站在原地测量出来的慢一样,但是实际的实验情况是无论怎么做,每次测量出来的光速都是一样的。为了解决这个问题,爱因斯坦提出,因为无法检测自己是否相对于“以太”运动,所以并不需要“以太”这个概念,科学定律应该赋予所有自由运动的观察者相同的形式,无论观察者如何运动,他们都应该测量到同样的光速,也就是应该用相对运动来看所有的自然规律,说起来有些拗口。意思大概是每个测量者在测量光速所对应的时间应该是属于这个测量者的,这个想法抛弃了全球所有时钟测量到的那个普适的时间概念,每个人都有自己独有的时间值。就是说如果两个人是相对静止的,他们的时间就是一致的,如果他们间存在相互的运动,他们观察到的时间就会不同,根据自己独有的时间,测量出来的光速就都是一样的。基于所有观察者所测量的光速都是相同的这一结论,爱因斯坦推导出了质能方程E=MC2,以及没有任何东西可以行进的比光还快的定律,设定了所有物体的速度上限是光速。

狭义相对论成功的解决了光速测量问题,但是却和牛顿引力理论不协调。根据引力理论,引力依赖物体之间的距离,如果移动一个物体,另一个物体所受的力就会立即改变,在条件允许情况下,引力效应将使得物体没有速度上限。为了解决这个问题,1915年,爱因斯坦提出了今天我们称之为广义相对论的理论。在广义相对论中,物体总是沿着四维时空的直线走,但是在三维空间中却是沿着弯曲的路径,这个比较难理解,我们降低一个维度,从三维看二维,假设一个飞机在山脉上空沿着三维空间直线飞,它在二维的地面上的影子却是沿着一条弯曲的路径。根据这个理论,引力不像其他种类的力,它只不过是时空不是平坦的这一事实的结果。举个例子,太阳的质量弯曲了周围的时空,地球在四维的时空中沿着直线路径运动,但是在我们三维的空间中是按照一个圆周轨道运动,这与牛顿引力理论的行星轨道几乎完全一致,然而,对于水星这个离太阳最近的行星,因为引力效应最强,广义相对论与牛顿引力理论计算上却有着微弱偏差,而实验证实了爱因斯坦理论的正确性。

可能写了这么多,还是有很多人理解不了相对论这个伟大的物理发现,我对其内涵也是一知半解,但是无论是狭义相对论还是广义相对论,给了我两点启示:一是对所谓权威的挑战,狭义相对论对绝对静止和绝对时间的摒弃,广义相对论对牛顿引力理论的挑战;二是要转换视角看问题,狭义相对论用相对运动来看自然规律,广义相对论用四维去思考三维,都是转换了一种惯性思考方式,最终获得了成功。

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