唐睿

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白话相对论

31 May 2006 » 科普
相对论 爱因斯坦 时空 宇宙 光速 引力

一直都想写一篇关于相对论的文章,来表达一下我对这位伟人的景仰之情,但始终没找到什么时间。其实现在也没什么时间,不过想想最好还是写一写:一来将我对这个偶像的崇拜进行到底;二来确实想说一说相对论,其实它也不是那么难理解的,甚至是一种常识,只是我们谁都没有注意罢了,虽然真正深层次的挖掘还是非常之深奥的。但是,就像爱因斯坦本人说过的一句名言一样:这个宇宙最不可理解的就是她是可以被理解的。

本来这件事情最好是在去年完成,因为 2005 年是爱因斯坦逝世 50 周年和狭义相对论诞生 100 周年的年头,可惜错过了这样的机会。不过百年之后,这也算是一个新的起点,就此补偿一下。

声明:本文观点虽借鉴自诸多科普读物,但系作者自行归纳而成,且作者非物理学专业,因此水平有限,如有谬误,欢迎指正。

如不特别声明,文章中的物理学名词解释引用自维基百科。

在本文中如不特指,“相对论”就代表“狭义相对论”。

假设读者应该至少具有中国高中物理知识水平,因此对一些基本物理学名词不做解释。

欢迎转载,转载请注明作者及出处。

一、简介——爱因斯坦的宇宙就是我们的宇宙

提到相对论,我想应该还是有很多人能够说出狭义和广义之分。有人说过爱因斯坦连给他的理论起名字都是那么的吸引人,当一个陌生人第一次看到这个名字的时候,会被一种莫大的神秘感所包围,而且他的巨大力量是惊人的,让人忍不住想要弄个究竟。而在浅尝之后更会把仰慕的目光投向一个人,这个人却好像是一个神。“爱因斯坦的宇宙就是我们的宇宙”,而“我们对于物理学所研究的就是我们对于这个世界所能够说的”,我通常喜欢用这两句话来总结爱因斯坦的成就,或许有些夸张,但是当你面对,“如果速度接近光速”(或许大多数人听到的版本应该是“如果速度超过光速”,但是至少在狭义相对论体系范围内,这个是不可能发生的。)的假设之后,你将不会再有任何抵抗的来接受这个评价,因为他创造了一个跟我们的想象完全不一样的世界。

但是我个人觉得,爱因斯坦的最大成就并不在于推导出了著名的质能方程或者给与洛仑兹变换以正确的解释,而是他率先意识到,或者说注意到了构成狭义相对论的两条基本原理:相对性原理和光速不变原理,有了这两个基础,狭义相对论就会变得那么自然。

相对性原理,或者确切的说狭义相对性原理(因为显然还有广义相对性原理)是指:物理定律在任何惯性参考系中具有相同的形式[1]。这个或许我们大家都能够想得到,但要把它说出口,还真的不足为证。我们如何才能证明自己感受到的世界,和一个电子感受到的世界是一样的呢?无法证明,因此这是一个基础,或者说假设。

光速不变原理:在狭义相对论中,无论在何种惯性参照系中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。这个数值是 299,792,458m/s[2]。这就开始和我们的常识有所冲突了,明明相遇速度等于速度之和,追击速度等于速度之差,连小学生都知道的原则,在这里,对于光速,却变得完全的不一样了。然而事实就是如此,麦克斯韦方程组可以给与理论证明,而麦克尔逊莫雷实验是最好的实验证明。而且狭义相对论还可以在此基础上证明,光速是我们所在的这个世界里的极限速度,没有任何物体或信息运动的速度可以超过光速[3]。

二、相对论来源于一个基本生活常识——对时

也许无法相信,博大精深的相对论竟然可以用简单的“对时”来解释。事实确实如此,这里我们用到了先前提到的光速是极限速度的结论。

当你发现自己的时钟不准想要对时的时候,如果手头有电视或者收音机的话你通常可能会选择它们来作为对时标准;如果没有,你可能会在路上找一个人文问一下,然后调整自己的手表或手机。我们假设前者,你打开电视,看到了一个时间,然后你把你的时钟调整为这个时间。那么好,我问你,你表上的时间准吗?这个显然,连小学生都知道,不准:因为你先看到了时间,然后把它记住,再去对表,当你对表完毕的时候,已经有至少几秒钟过去了。那么显然我们会采取另一种更有效的办法,给你的表设定一个稍微整一点的时间,例如 9:00,然后等待电视或收音机发出一个信号,确认这个时间,按下按钮。此时我再问你,你会很有底气地说准,一分都不差。是呀,但是请你仔细想一想,你的表确实准吗?你看到的这个时间是从一个时间发生装置发出,经过电磁波的传送,再经过收放装置的接收,把画面或声音呈现给你,你接受到这个信号,大脑经过思考,决定应该发出指令去让手指按一下按钮,然后指令通过神经传导到肌肉,肌肉收缩,触发按钮,按纽连通电子线路,时间被确认。好大一串!显然每个环节都是需要时间的,只是这些环节都实在太短暂了,对于日常生活而言,完全可以忽略。但是,如果我继续追问,如果我不忽略这些延迟,那么你的这个时间仍然是不准的,还能给我再准确一点的时间吗?也许真的不那么好办了,那我们换一种讨论方法,忽略所有可能的延迟,也就是说,有两个地点 A 和 B,时间从 A 点发出,B 点如何才能得到最准确的时间,准确的时间是多少?这个问题或许已经开始出现问题了,难道 A 点和 B 点不可能有相同的时间吗?答案是 B 点会有相同的时间,但是这个时间其实并不相同。

未完待续!