解读《上帝掷骰子吗》2、一次性搞懂相对论
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解读《上帝掷骰子吗》2、一次性搞懂相对论

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前情回顾
量子的故事,我们要从物理史上一场持续时间最长,争论最激烈的论战说起,几代科学家们争论的焦点是,光的本质到底是什么?


从古希腊时期人们凭借观察直观的认为光是由一粒粒细小的光子组成,后来人们了解到波动现象之后,又认为光应该是一种波。微粒说与波动说同时站上历史舞台,供大家检阅。


17世纪末,第一次波粒战争爆发,波动方面军的将领有英国皇家学会光学方面的权威胡克,以及成功证明和推导出光的反射与折射定律的数学天才惠更斯。1690年,惠更斯《光论》的出版,把波动说推到了兴盛的顶点。


但是另一边的领袖是在太强大了,他就是伟大的艾萨克·牛顿。1703年,在皇皇巨著《光学》一书中,牛顿从粒子的角度解释了光的种种现象,并把微粒说与自己的力学体系相结合。当时他是科学界神一般的存在,掌握着绝对的权威,全世界都对他的力学体系顶礼膜拜。牛顿一出手,摧枯拉朽,第一次波粒战争以波动说的惨败而告终。


但是胡克、惠更斯他们所做的贡献仍然具有顽强的生命力,波动说只是暂时潜伏了起来,以待他日东山再起。

第二次波粒战争
在微粒说大获全胜之后的一个世纪里,牛顿所提倡的光是一种微粒的说法已经深入身心,人们似乎已经完全忘记了当年还存在过“波动说”这样一个对手。


19世纪,一个叫做托马斯·杨的人,成为了反叛军的领袖,带领着波动说再度杀了回来。第二次波粒战争爆发。


这个托马斯·杨当年简直就是我们今天所说的神童,他2岁就能阅读各种经典,6岁开始学历拉丁语,到16岁的时候已经能够说10种语言。他在语言上的天赋帮助他日后破解了古埃及罗塞塔碑上的密码。
要说清楚托马斯杨是怎么振兴波动说的,我们先要理解波的干涉现象。生活中的普通物品相互叠加是不会消失的,像是一滴水加上一滴水就是两滴水或者说是一滴更大的水。


但是波就不一样了,你想啊,它有波峰和波谷。如果两列波相遇了,波峰对上波峰,波谷对上波谷的话,那就会形成两倍的峰值,两倍的低谷。而如果是波峰对上波谷呢?物理上称之为“反相”,那两列波就会相互抵消。就像是同时有两个人,一个把你往右边拽,另一个把你忘左边拽,如果力量差不多的话,你肯定只会站在原地不动的,这就叫做波的干涉。明白了这个原理就好办了。


1807年,托马斯杨出版了一本著作《自然哲学讲义》,他认为光是一种波,书中就讲述了他那个名扬四海的双缝干涉实验,如今这个实验理所当然的出现了每一本中学物理教科书上。这个实验非常的重要,后面的节目中我们还会多次提及。


其实很简单,让一个点光源发射出的光线,通过一张平行开了两条狭缝的纸板,之后再投射到后面的墙上。你觉得会呈现出什么图案呢?


按照我们的直觉,光就是沿直线传播的,那通过两条狭缝之后,投射在墙上的当然是两条平行的光带啊。但结果并非如此,不是两条平行光带,而是一系列明暗交替的条纹。为什么?微粒说对此束手无策,但是波动说运用波的干涉原理就很好解释。


两列波在经过狭缝之后相遇,当波峰遇上波峰,同相加强,于是得到两倍的光亮,呈现出明亮条纹,而当波峰遇上波谷,两道光处于反相,相互抵消,于是留下了黑暗条纹。波动方面军在沉寂了百年之后,又回到了历史舞台的中央。双缝干涉条纹这一门波动大炮的杀伤力惊动了整个微粒军团。


随后,从波动理论出发,可以精确计算出的明暗条纹的距离,与观察结果是分毫不差。再然后,波动说相继完美解决了光的衍射和光的偏振现象,微粒说接连失守节节败退。


1850年,微粒说遭遇滑铁卢。
按照当时科学家们对于光的认识,微粒说认为当光子进入到不同密度的介质时,介质会对微粒产生引力影响,当光子进入水中,会因为引力而得到一个加速度,所以光在水中传播的速度,比在真空中要快。而波动说正好相反,认为水中的传播速度要慢。


这一年,法国科学家精确的得出了光在真空中的速度为30万公里每秒,之后又测量出在水中的速度只有前者的四分之三。这实验结果一出来,等于是彻底宣判了微粒说的死刑,波动说在牛顿之后100多年,终于革命成功,推翻了微粒王朝。第二次波粒战争以微粒说的战败尘埃落定。

麦克斯韦与电磁理论

但这还不算什么,更加激动人心的事情即将发生。很快,1856年、1861年和1865年,伟大的麦克斯韦发表了三篇关于电磁理论的论文。


在麦克斯韦之前,最伟大的物理学家是牛顿,力学体系统一了天上和地下,让世人明白月亮与我们手中的苹果遵循这一样的物理定律。在他此之后最伟大的物理学家当然是爱因斯坦,相对论统一了时间和空间。而在牛顿与爱因斯坦之间,最伟大的物理学家毫无疑问就是麦克斯韦,他统一了电场与磁场,之后的量子理论与相对论都是建立在此基础之上。今天我们的手机、无线电、雷达等等的现代发明都来源于此。


很早人们就发现,电与磁能够互相转化,但具体原因是啥根本不清楚,当年法拉第曾经展示了电与磁的实验现象并总结了简单规律,但是他并没有能力用数学语言去定义自己的发现。而麦克斯韦在研读了法拉第的著作之后,决定帮他搞定这一切。最终,他给出了能够适用于宇宙中所有电磁作用的完美无瑕的麦克斯韦方程组。


有个说法是如果你能看懂这组方程,那么恭喜你,高等数学是肯定不会挂科了。而如果你能看懂这组方程并且为之感到震惊,认为只有上帝才能创造如此完美的公式,那么更加恭喜,因为你离一流的科学家已经不远了。麦克斯韦方程组一问世,就被世人惊为天物,其表现出的简洁、深刻让每一个科学家都陶醉其中。


麦克斯韦在自己的论文中就预言了电磁波的存在,并且通过方程组推导出电磁波的传播速度等于光速,于是猜想光其实就是一种电磁波。1887年,麦克斯韦去世8年之后,德国物理学家赫兹在实验中观察到了电磁波。正如当年麦克斯韦预言的那样,光就是一种电磁波。电磁波并不神秘,平常我们能够看到的可见光就是波长在特定范围内的电磁波。可见光中红光的波长最长,再往上就是红外线,微波和无线电波,紫光的波长最短,再往下是紫外线,X射线和伽马射线。


这也为争论已久的光的本质下了一个看似不可推翻的定论。最后,电磁波的反射、衍射和干涉实验很快就做出来了,进一步证实了电磁波与光波的一致性。物理学的一座新的高峰,电磁理论被建立起来了,法拉第为它打下了基础,麦克斯给它建造了主体,赫兹则为其封了顶。物理学的大厦从来没有像当时那样金碧辉煌,牛顿的力学体系已经是如此的雄伟壮观,麦克斯韦在它之上又构建了同等规模的奇观。


19世纪末,物理学掌控着一切人们所知的现象。
古老的牛顿力学历经岁月磨砺始终屹立不倒,从天上的行星到手中的苹果,万物都毕恭毕敬的遵循着它制定的规则运行。在光学方面,波动一统天下,电磁理论更是把荣光扩大到了整个电磁世界。而在热方面,三大热力定律已经建立。而且他们三个是彼此支撑包容的,形成了经典物理的大联盟,经典力学,电磁学和热力学是物理世界的三大支柱,他们紧紧结合在一起,构筑起华丽而雄威的殿堂。


这个时候,人们相信自己掌握了上帝造物的奥秘,所知道的一切物理现象都得到了解释。力、热、光、电、磁……一切尽在掌握。甚至不少科学家都认为,物理学已经尽善尽美,不会再有突破性的进展,之后的研究都是对现有理论的小修小补。他们自信满满的说:物理学的未来,只有在小数点第六位后面去寻找。


这是一个空前绝后的,经典物理的全盛时代。但是谁又能想到,这震慑人心的壮丽,确是斜阳投射在庞大帝国土地上的最后余晖,统一强大的物理帝国注定只能昙花一现,喧嚣的繁盛,很快就会像泡沫般迅速的破灭凋零。

小小的乌云
时间进入到20世纪。1900年,大科学家开尔文,发表了科学史上非常著名的演讲。他说:“现在物理学的天空晴空万里,除了两朵小小的乌云。只要把他们给赶走,物理学就大功告成了。”这两朵小乌云是当时面临的两个没有解决掉的难题,一个是迈克尔逊-莫雷实验,一个是黑体辐射实验。当时开尔文认为这是两个小问题,很快就会被搞定的。


而“乌云”这个比喻后来变得非常出名,被反复引用。所有人都没法想象,这两朵不起眼的乌云将要摧毁整个经典物理大厦,最终将让物理学在烈火与暴雨中实现涅槃,并重新建起两座更加壮丽的城堡。
第一朵乌云,导致了相对论革命的爆发;第二乌云,则导致了量子论革命的爆发。如果开尔文知道后面将要发生的事情,他一定会为自己当年的一语成谶而深感震惊。


我们先来说第一朵乌云。
之前我们就说波的传递是需要介质的,声波可以在空气,在水甚至是在固体中都可以传播,但是在真空中是不行的。那么光作为一种电磁波怎么就能够在没有水和空气的太空中传播呢?于是提出了一种假设,说宇宙中充满了看不见摸不着的“以太”,它没有质量而且绝对静止。


这第一朵乌云迈克尔逊-莫雷实验,它就是要去证实以太的存在。我们通常所说的速度,一定都是有参考系的,比方说相对于静止的空气来说声速是340m/s,而如果有风呢?声音顺着风传播就更快了,逆着风传播就变慢了。这可以理解吧?同样的道理,我在一列行驶的火车上,向前奔跑,那么我相对地面的运动速度就等于火车的速度加上我自己奔跑的速度。非常简单,这叫做伽利略变换。


而以太被假设为光的传播介质,光速相对于以太是30万公里/秒。科学家们认为宇宙中的以太是静止的,而地球正在以30公里/秒的速度绕着太阳公转。这是不是就意味着地球表面正在吹过速度为30公里/秒的以太风。那么按照伽利略变换,无论是逆着还是顺着以太风传播,光的速度都会发生变化。假设放在这里,实验开始。


迈克尔逊和莫雷制作了一台装置,将一束光通过分光镜,一分为二,一束光垂直于以太风,另一束光逆着以太风。两束光向不同的方向传播相同距离之后,被反射回来汇聚到一起。因为光的干涉,就会产生明暗相间的干涉条纹。而又因为两束光的传播方向不同,受到以太风的影响速度会有所改变。因此只要旋转整个装置,那么干涉条纹就一定会发生变化。


但是实验的结果让迈克尔逊和莫雷无比的震惊且失望,无论怎么旋转装置,干涉条纹没有丝毫的变化。他们不甘心,一连测试了4天。本来他们还想观测一年,来确定地球绕太阳一周四季对以太风造成的影响。但是在如此毋容置疑的失败结果面前,他们果断放弃了。


这个实验在物理界引起了轰动,实验证明了两件事,第一,以太不存在,光的传播不需要介质。以太作为当时经典物理时空观的基础被否定,等于是经典物理大厦的梁柱上崩开了一道口子。

钟慢效应
实验证明的第二件事情:地球的公转完全没有影响到我们所测量的光速的大小。伽利略变换在光速问题上不管用。比如我在高速公路上开车,天黑了我打开车头灯,那我车头灯光相对于地面的速度是多少呢?按照伽利略变换当然是光速加上我的车速。但不是的,不管我是驾驶汽车开灯,还是驾驶飞快的宇宙飞船开灯,任何一个观察者,在任何速度之下探测到的光速永远永远都是30万公里/秒,这就是光速不变原理。


而以光速不变原理为起点,爱因斯坦推导出了狭义相对论,彻底革新了人类的时空观。怎么推导的呢?虽然不是这本书的故事主线,但我知道很多同学对相对论都有极大的兴趣,几乎所有人都知道相对论,但基本都不知道它到底说了啥。我就简单的补充说明一下。为有装逼需求的同学提供一点点素材。


有了光速不变原理作为基本前提,我们现在来做一个思想实验。假如我在一列行驶的火车上,从地板向上发射一束光,到达天花板,又从天花板上的一面镜子反射了回来。在我看来,这束光走过的距离就是直上直下,也就是车厢的高度乘以二。没问题吧?


这个时候,你在地面上,也看到了这束光。因为火车在向前行驶,所以你看到的光走过的这段路程就不是直上直下了。而是斜着上去再斜着下来,轨迹是两个直角三角形两条斜边。可以想象的出来吧?很显然,直角三角形斜边的长度必然是大于直角边的,也就是大于车厢的高度。因此在你看来,我手中的这束光走过了更长的一段距离。


时间等于路程除以速度,而光速不变。所以在你看来我手中的这束光走完这段路程需要更多的时间。如果这个时候你可以看到我手上的表,你会发现比自己的手表走得慢。这就是相对论中最最著名的钟慢效应。换一种说法就是对于地面上的你来说,坐在火车上的我,时间膨胀了。


我们常说的天上方一日,地下已千年,就是钟慢效应。如果天上的神仙运动速度非常的快,接近于光速,那么确实是可以达到这个效果的。所以说,对于处在静止以及运动中的不同观察者,所观察到的同一件事情,得到的结果是不一样的,时间是一个相对的概念,这就是相对论。不仅仅是时间,在相对论当中,还有运动速度越快,长度就越短的尺缩效应。还有运动速度越快,那么质量就越大,也就是著名的质能方程E=mc²。


仔细想象我们刚才的这个思想实验,有没有感受到震撼?好,那开尔文口中的第二朵乌云多说的黑体辐射问题是什么呢?这也是本书故事的主线,我们下期节目再接着聊。如果我有帮助到您,也希望您愿意帮助我,一个人能走多远,关键在于与谁同行,我用跨越山海的一路相伴,希望得到您用金钱的称赞。


愿生活中所有的美好都不被辜负,晓店期待您的光临。我是晓书童,我在晓书童频道与您,不见不散。

用户评论
  • UncleBen_5l

    抖音上经常听到你的声音,是你配音的吗
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    2021-12-21 10:17
  • Z字旗

    抓鬼特工队里有一集队员们就争论这个问题
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    2022-01-01 23:40
  • 听友188111391

    不知道有没有人会看到我的这个问题。钟慢效应是相对于静止坐标系来说的。那么可不可以这么理解,在运动坐标系中观察静止坐标系,看上去静止坐标系是运动的呢?那么好,请问这时的时间谁更慢?
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    2022-07-06 22:01

    史皓天sht 回复 @听友188111391: 这是时间双子问题,无解的

  • pq6r5x7f8ljl1jsjkt2k

    麦克斯韦方程式
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    2022-01-22 00:47
  • 行者N

    初三狗来学习
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    2022-01-05 23:30
  • 六月初六星期六

    回听第二遍,准备去买书看
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    2022-01-12 06:46
  • Edenk

    哇,这个相对论好有意思啊
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    2022-07-22 09:14
  • 听友218587574

    为什么现在只能听一部分晓书童的原版
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    2022-05-02 23:38
  • 大肚弥勒佛笑哈哈

    如果光速不受汽车速度影响,那么火车上,直上直下的光柱应该相对火车外面的观察者,应该是垂直静止的吧?所以光柱还是走了一个垂直上下,而不是等腰三角形,是吗? 本人不是学物理的,请教一下。
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    2022-02-23 23:18