02胡搅蛮缠:诡异相对论
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02胡搅蛮缠:诡异相对论

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相对论和量子力学同一时间诞生自物理学的两朵乌云,算是师出同门,哥俩又联手摧毁了经典物理学大厦,按理说,招数套路应该差不多才对。


但实际上,这两个理论,除了荒诞不经之外,其他的秉性几乎截然相反。咱们简单捋一捋:


第一,量子力学是一大堆科学家头脑风暴的产物,相对论则是爱因斯坦一个人拿下的。第二,量子力学是积小流成江海,从普朗克开始一点一滴累积起来的,相对论,则是横空出世,一蹴而就。第三,量子力学无论多么荒诞,至少都是从实验现象开始的,为了解释实验结果拼凑出各种理论公式,相对论则是由爱因斯坦凭空捏造,完了之后再根据理论去寻找实验现象。第四,量子力学收割了成堆的诺贝尔奖,相对论自始至终都没有获奖。第五,量子力学早已广泛应用,这点很多人可能不知道,以为量子力学只是物理学家的数学游戏,其实现代科技取得如此辉煌的成就,一多半都是量子力学的功劳,而相对论呢,除了用于计算校准,完全没有提供任何生产技术。第六,量子力学应用于微观,电子啊,质子啊,等等,相对论应用于宏观,恒星,时间,空间这些。第七,量子力学描述的世界是一段一段的,量子化的,相对论描述的世界则是连续的。


你说说,这种严丝合缝的巧合是不是有点过分了,让人不免怀疑,这是不是上天在捉弄人类。相对论和量子力学就好像商量好一般,如此矛盾,却又都如此惊世骇俗,真是折磨了一代又一代的物理人!


物理学家天生有“大一统思想”,最好把宇宙间所有规律归纳成一个公式。为了撮合这两个理论,人类付出了无比艰辛的努力,这段可歌可泣的故事,咱们留着以后慢慢说。


其实在经典物理学时代,也是个大统一的故事,经典物理经历了开枝散叶的“牛顿时代”后,又逐渐归拢走向统一。


“大统一”路上的巅峰之作,非“麦克斯韦方程组”莫属,至少排名人类最伟大公式前三甲!这事说起来很简单,原本“电”和“磁”是两路人,但自从法拉第发现电磁感应后,大家都知道电和磁早就有一腿了,却苦于没有牵线搭桥的媒婆。正当大家干着急时,麦克斯韦大笔一挥,从此电、磁成了一家人。


麦克斯韦方程组以无比优美的形式,完整阐述了电和磁的相互转化规律,堪称物理学难得一见的白富美!既然是白富美,就免不了招蜂引蝶,其中就有我们今天的主角,爱因斯坦。


爱因斯坦一直对“光”情有独钟,光是一种电磁波,电磁波的事情归麦克斯韦管,于是爱因斯坦就很痴迷的看着这组方程。这情景,神似杨过悟出黯然销魂掌,爱因斯坦看着看着,豁然顿悟,提出了一个销魂的假设:光速不变原理!


光速不变原理是什么意思呢?举个例子:你站在路边不动,我骑车速度10,妹子开车速度50,那么妹子对你来说速度是50,对我来说速度是40。这个是我们正常的理解,对吧?
  同样的场景,把妹子换成“一束光”,那么应该是:光对你来说速度是三十万,对我来说是299990,对吧?爱因斯坦说,你们太不了解“光”了,无论你们的速度是多少,她的速度永远都是三十万。


极端一点,你的速度是0,而我的速度是299999,同一束“光”经过我俩,这束光对你来说速度是300000,对我来说也是300000


那这到底是一束光还是两束光啊?当然是一束光,只不过,这束光在不同的人看来,永远都是一样的速度。相对论的起点就是来自这么一个无比荒诞的假设:光速不变原理!


既然光速绝对不变,那应该叫“绝对论”,干嘛叫“相对论”呢?相对论这个概念是与“绝对时空观”相对应的,学术点说,一切物理定律在所有惯性参照系中具有相同的数学形式,学名“相对性原理”,这是相对论的第二个假设,我知道你看不懂这句话的意思,别着急。


这个话题又有点哲学的味道了。回到刚才的场景,我骑车的速度是10,而你站在路边不动,假设整个系统或者说全宇宙只剩下你我,那么到底是谁在动?在你看来我在动,在我看来是你在动,为了搞清楚谁在动,就把这事说成:我相对于你的速度是10。这是高中物理的内容,今天的人不难理解,不过在当时“以太”学说的背景下就不一样了。


什么是“以太”?又是亚里士多德这位老同学提出的概念:空间是以太组成的,只是我们看不见而已,静止和运动都是相对空间而言,也就是说“我相对于空间的速度是10”,而不是“我相对于你的速度是10”。这种观点,再算上亘古不变的一维时间,称之为牛顿时代的“绝对时空观”。


这在当时是很主流的一个假说,著名的科学家迈克尔逊,诺贝尔物理学奖得主,绝对的大牛人,他就一直在找以太,结果找了8年,亲手把以太理论给掐死了。


回到相对论。


“光速不变原理”+“相对性原理”,好吧,那然后呢?凭这两个就能颠覆世界了?没错,有这两样东西就够了,大家注意,老司机爱因斯坦开始飚车了!


假设老司机把车速飙到光速的50%,然后,车厢天花板发出一束光,垂直照到地板上。对车厢内的人来说,车厢是没有速度的,相当于在一个静止的车厢里,从上往下照一束光,那么结果很简单,这光就是直线照到地上而已。所以这束光走过的路程就是车厢的高度,花费时间:车厢高度/光速。




但对车厢外的人来说,事情就有点麻烦了,光束是在移动的车厢里从上往下照的,这个过程中车厢一直在移动,所以光走的路径是一条斜线。就好像从车厢顶部打一颗子弹到地上,在车厢内的人看起来,子弹是直线下落的,但在车厢外的人看来,子弹其实是斜着落地的,斜着跑当然比直线跑的路程更远。


这在经典物理学里面是没啥问题的。因为子弹的速度还得加上车厢移动的速度,所以子弹的实际速度是增加了,即便路程增加了,最后算下来时间是一样的。


但是,爱因斯坦说了,光速是不变的,无论你车厢移动速度是多少,光速始终还是那个光速,于是,事情就大条了,因为路程变多了,而光速不变,这样算下来时间也就得变多了!


同样一件事,车厢内的时间比车厢外的时间多,这说法不好交代吧。


爱因斯坦说,这有啥,光速是不变的,只能委屈时间了,没错,车厢内的时间膨胀了!


时间这东西看不见摸不着,爱因斯坦要怎么说都行。咱们换个例子。


老司机飚车的过程中,在车厢的中间位置,闪一下光,相当于点亮一个电灯泡,对车厢内的人来说,车厢是静止的,那么光线应该是同时照亮前壁和后壁。但对车厢外的人来说,车在前进,而光速不变,所以光应该先照亮后壁,然后再照亮前壁。这就不是时间膨胀不膨胀的问题了。如果前后壁分别有个接收器,那么这两个接收器到底是同时接收到信号,还是一前一后接受到信号。


爱因斯坦说,你们压根不知道啥叫“同时”,如何判断在两个地方发生的两个事件是否同时?当这两个事件发生的瞬间各自发出一个闪光信号,如果光同时到达这两个地方的中间位置,那么就认为这两个事情是同时发生的,不然就是不同时的。所以车厢内的人看是同时的,车厢外的人看是不同时的,“同时”也是相对的。


各位看明白没?这“光”真是集爱因斯坦万千宠爱于一身,连时间都要按照光的脚步走。


再举个例子,假设太阳突然消失了,8分钟后,地球就会知道,那地球人有没有可能在太阳消失的一瞬间就知道?爱因斯坦说,完全不可能,太阳消失后,地球依然可以感受到阳光,感受到太阳引力,无论用什么方法都无法在8分钟内得知太阳消失了,就算你在太阳上找个人给你打电话,无线电信号也得经过8分钟才能飞到地球。那么问题来了,对于地球人而言,太阳到底是8分钟前消失的,还是现在消失的?


好吧,我承认已经有点整糊涂了,索性再把问题搅乱些。


车厢内的人怎么测量车厢长度呢?这个很简单,拿个刻度尺直接量就行了。但是对车厢外的人来说就比较麻烦了,因为车厢是在运动的。但是你拿的刻度尺是静止的。你必须在同一时间记下车头和车尾的刻度尺读数。如果按照爱因斯坦定义的那个同时,那么你量下来就会发现,运动的车厢比静止的车厢要短,这个结论会不会有点扯?


爱因斯坦说,在“光”面前,时间都能委屈,长度算什么!物体沿着运动方向的长度会收缩,这叫“长度收缩效应”,简称“尺缩效应”。


得了,那质量多半也节操难保了。


没错,因为时间和速度相关,速度和动能相关,动能和质量相关,这样推导下来,质量也就不是原来的质量了。爱因斯坦说:质量会随着速度增加而增加,然后结合动量和动能公式,就得到了大名鼎鼎的质能方程:E=MC的平方。


虽然爱因斯坦把时间、长度、质量都搅的一塌糊涂,但本质上,无非就是运动参照系和静止参照系之间的公式转化而已。数学好的同学开始得瑟了,时间膨胀、长度缩短、质量增加,都可以按照“洛伦兹变换”推导:


去看看这些公式,你就明白为什么爱因斯坦不喜欢超光速了,按照上面的公式,一旦物体到达了光速,时间变得无穷慢、长度变得无穷小、质量变得无穷大,这种扯蛋程度终于连爱因斯坦自己都不能接受了。


大家注意到没有,刚刚说的那些假设都是在匀速和静止的前提下讨论的,这种场景只适用于理想情况,应用场景比较狭隘,所以叫“狭义相对论”。


实际情况,往往还需要在系统中加上引力或者加速度什么的,应用场景更加广泛,顾名思义,这就是“广义相对论”。


广义相对论不仅内容奇葩,而且数学无比复杂,爱因斯坦不得不求助数学家格罗斯曼,共同完成论文《广义相对论纲要和引力论》。这篇伟大的论文,除了数学系和物理系的同学,其他同学还是别看了,以免辣眼睛!


英国科学家爱丁顿是忠实的爱因斯坦粉丝,也是第一个向英语世界介绍广义相对论的人。有一天,有人问爱丁顿:“尊敬的教授,听说世界上只有三个人懂得相对论,是这样吗?”爱丁顿略加思索后回答:“您也许说得不错,不过,我在想第三个人是谁呢?”这个小故事最终演变成了我们现在经常听到的一句流言:世界上只有三个人懂相对论。这个当然是过于夸张了,不过广义相对论确实比量子力学要麻烦。


波尔说量子力学第一次学不会,那反过来说,多学几次还是有希望的。至于广义相对论,我们普通人还是趁早放弃治疗吧,只能生搬硬套,能囫囵吞枣就不错了。


下面就是生搬硬套的广义相对论


老司机狠踩油门,车子加速前进,注意是正在加速中。一束光从车顶照到地板,光速是不变的,而车子速度越来越快,就好像水流往下流,车子在加速,那么水流应该是弯曲的,也就是说,光走过的路程应该是弯曲的。


  爱因斯坦说,光速不能变,只能委屈空间了,是空间弯曲了!这也太耍懒了,明明是你自己弯了,非说是空间弯了!
  爱因斯坦接着说,“引力”和“加速度”是等效的,所以引力也会引起空间弯曲。接着展开一下想象,如果引力足够大,空间足够弯曲,像折纸一样,把远端的两个点,弯曲重叠在一起会发生什么?没错,虫洞的概念有了!开个虫洞撕裂空间,就可以从这个点直接到另一个点,梦幻般的空间跳跃就是这么来的!


目前为止,你还可以认为这一切都是胡搅蛮缠,大骂爱因斯坦是哗众取宠的神棍!此时的相对论,就像是埋设在物理学大厦里的炸药,就差一个导火线。然而,很快人们就找到了无数导火线,引爆了这座数百年的经典大厦。


1911年爱因斯坦发表《引力对光传播的影响》,由于太阳的引力和质量会使周边空间产生弯曲,使得光线经过太阳附近时也会弯曲,这一现象可在日全食进行观测。忠实粉丝爱丁顿忽悠英国政府资助了这次荒唐的测试,最终,观测数据显示恒星位置确实发生了偏移,符合相对论的计算结果,爱丁顿感慨道:这个小小的移动,改变了世界。


于是,爱因斯坦一夜爆红,卓别林有句俏皮话,恰如其分的概括了当时的场景:“人们为我欢呼,是因为他们懂我的艺术,人们为爱因斯坦欢呼,是因为没人懂他的理论。”


困扰了天文学多年的水星近日点进动问题也得到了圆满解释。水星运行到近日点时有些多余的进动(我们普通人可以理解为,水星靠近太阳时,会有一些莫名其妙的抖动),多余进动值为每百年43角秒,当时没人能解释。爱因斯坦计算了太阳对空间的弯曲曲率正是每百年43角秒,完全吻合,也就是说这多余的进动是空间弯曲造成的。后来测到的金星数据也相符相对论。


为了验证引力和速度对时间的影响,不断有科学家把原子钟送到外太空,由引力产生的时间偏差也完全符合相对论的计算。


所有的实验都证明相对论是靠谱的,绝对不是一个疯子幻想的产物。


相对论以势不可挡的姿态揭开了这个荒诞世界的外衣,再次让人类意识到自身的无知和渺小。我得再次膜拜一下爱因斯坦!要知道,当时的人们已经沉浸在量子力学带来的巨大震撼中:东西都是一段一段的、位置也是随机的,而相对论的空间描述是连续的、是可精确计算的、是与量子力学完全矛盾的,这简直是逆天下大势!


任谁也没想到,上天竟会同时送给人类两件截然不同的礼物!更难能可贵的是,爱因斯坦既是量子力学的奠基人之一,也是相对论的开创者,这一手“左右互搏”的功夫,不敢说“后无来者”,至少是“前无古人”了。因此爱因斯坦在物理学史上的座次仅次于开天辟地的牛顿,排行第二。


不过,相对论的应用少之又少,仅仅只是用来校准各种观察数据或实验设备,比如GPS精度校准,高能粒子质量和寿命的变化,或是预言一下引力波的存在,等等。


回头再看这个烂摊子,爱因斯坦飙完车,就拍拍屁股走人了,但对于这个理论的起点:光速不变原理,已经弄疯了无数的物理学家。


相对论和量子力学把科技树主干硬生生掰成了两个方向,但物理学家固执地认为事物的本源最终都是相通的,这一百年来,所有人梦寐以求的就是统一这两大理论,但无一不是折戟沉沙!


尽管前路漫漫,可大家仍乐此不疲地奔波在大统一的路上,最近几年非常热门的“超弦理论”和大型对撞机,就是人类对大统一事业的再一次冲锋。

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