Redian新闻
>
漫谈相对论(三)光速为何恒定不变?什么是相对性原理?

漫谈相对论(三)光速为何恒定不变?什么是相对性原理?

科学


各位同学大家好!我是李永乐老师。今天由我继续为大家导读爱因斯坦的小册子《狭义与广义相对论浅说》。前两期节目如果您还没看,请点击这里:

漫谈相对论(1)爱因斯坦的故事

漫谈相对论(2)时间和空间,其实都是牛顿的假设



爱因斯坦年轻时,特别喜欢读书,比如他阅读了很多庞加莱的著作。庞加莱是高斯和黎曼之后,世界上最伟大的数学家之一。他的许多工作对相对论的提出产生了重要影响,甚至一度有人认为庞加莱才是相对论的提出者。

庞加莱

同时,庞加莱是一名科学哲学家,他曾经写过几本小册子《科学与假设》《时间的测量》,在这些小册子中,庞加莱提出:想把两个不在一起的时钟对齐,并不是一件容易的事。

比如:在北京有一个钟表,在上海有另一个钟表,我们通过什么方法能将两个钟表对准呢?大家注意,你不能回答我说打开电脑,查询标准北京时间,因为能够用电脑查询时间的前提是:我们的确有方法对齐不同地点的时钟,我们所问的就是这种对钟的方法究竟是什么?

你可能会想到:我们先在北京对好两个时钟,再把其中一个拿到上海去不就行了吗?可是,在移动的过程中,谁也不能保证时钟的走时不发生任何变化。当它移动到上海时,未必能和北京的钟保持同步。

对于这个问题,庞加莱提出过一种猜想,他认为:应该通过一种约定解决时钟的对齐问题,最简单的约定就是光速向各个方向都相同而且保持不变。

大家看,假如我们想对齐北京和上海的时钟,可以按照这样方法:找到北京和上海的中点M,然后从M点同时向北京和上海发光。由于约定光向各个方向的速度都相同,两束光就一定能同时到达北京和上海。当北京和上海接收到光时,就把当地的钟调零,这样它们的时钟就能对齐了。

从中点M发光,对齐北京和上海的时钟

庞加莱真是一位伟大的哲学家!他对我们司空见惯的“同时性“提出了质疑,而且还敏锐的想到了通过约定光速不变,就能对准两个不同地点的时钟,得到“同时性”!庞加莱的猜想直接启发了年轻的爱因斯坦。

爱因斯坦发展了庞加莱的理论,他说:光速在任何惯性参考系中都保持不变,这就是光速不变假设。根据这个假设,绝对的时间是不存在的。

爱因斯坦在本书中,用一个闪电劈火车的例子来说明。我们把这个例子修改一下,让它更方便理解:

一辆疾驰的高铁中有一节餐车,在餐车的头部和尾部各有一个乘客准备用餐。侍者站在车厢正中间,点亮了一盏灯。这盏灯会向前方和后方发出光线。当两名乘客看到灯光的时候,就开始用餐。因为两名乘客到侍者的距离相同,光的传播速度也相同,所以在车厢中的人看来,两名乘客是在同一时间用餐的。

火车上的侍者:两位乘客同时用餐

可是地面上的道岔工如何看待这个问题呢?在侍者打开灯的一瞬间,向前和向后的灯光速度依然是相同的,绝不会因为火车在运动而造成某个方向的光速更快。车尾的乘客向前运动,迎接灯光;车头的乘客也是向前运动,却是背离灯光而去。显然,在距离相同时,迎面而来的车尾乘客将会更早接收到灯光。

地面上的人:车尾的乘客先用餐

所以,在地面上的道岔工看来,车尾的乘客先开始用餐,车头的乘客后开始用餐。这就是说:火车上的侍者认为同时发生的事,地面上的道岔工却认为是先后发生的。

同时是具有相对性的,在一个参考系下同时发生的事,换一个参考系,就会一先一后的发生,所以,同时是具有相对性的,不存在一个统一的时间,永恒不变的流逝。

紧跟着,爱因斯坦指出:既然时间具有相对性,那么空间尺寸就也会具有相对性,像欧几里得几何中那种刚性的,绝对不变的长度是不存在的。

你看,如果你要测量一列火车的长度,你就需要拿一把尺子放在火车旁边,同时读出火车头部和尾部对齐的刻度,然后把它们做差,就得到了火车的长度。

测量火车的长度

但是,除非这把尺子是跟火车相对静止,你读首尾两个刻度的时间才可以不同。否则,假如火车在地面上飞奔,你必须同时读出刻度,才能准确测量出火车的长度。可是我们知道:同时是跟参考系有关的,在某个参考系上看,同时发生的事,换一个参考系,就不是同时了。这样一来,火车的长度就也跟参考系有关了。

爱因斯坦说:麦克斯韦方程组计算出的光速是恒定的,我又假设光速在所有参考系下都相同,所以,我们当然应该认为麦克斯韦方程组在所有惯性参考系下都是成立的。而伽利略早就告诉我们:力学规律在不同参考系下都是成立的。既然如此,我们就干脆假设,所有的物理规律在所有惯性参考系下都具有相同的形式,这就是爱因斯坦的另一个基本假设——相对性原理。

根据爱因斯坦相对性原理,如果在空旷的宇宙中,有两个宇航员相互远离,无论你用任何物理实验,都不能确定他们究竟谁是运动的,谁是静止的,因为绝对时空原本就不存在,你说谁运动都可以。

在宇宙中的两个宇航员无法分辨谁在运动

你现在在家里,你可以说相对于地球自己是静止的,也可以说相对于太阳你是运动的。但是你不能说相对于绝对空间你到底是运动的还是静止的,因为压根就没有绝对空间。

根据光速不变原理和相对性原理,爱因斯坦推导出了不同参考系下时间和空间的变化规律,这就是著名的洛伦兹变换。之所以叫洛伦兹变换,是因为这个规律最早是洛伦兹提出的,他为了解释迈克耳孙-莫雷实验,提出物体在运动的方向上长度会收缩,而且得出了正确的公式。

洛伦兹

只可惜,洛伦兹认为的收缩是物体在绝对空间中的实际收缩,他甚至还带着学生研究在收缩过程中,电荷密度的变化会造成什么影响。但我们后面会看到,这种收缩并不是物体在时空中的收缩,而只是因为观察者所在的时空角度不同。

如果我们总结一下:牛顿时空观的问题究竟在哪里呢?它在于:牛顿假设存在一个绝对静止的空间和一个永恒流逝的时间,使用力学规律,我们无法找到绝对静止的空间,当然也无法反驳它的存在。有了电磁学规律之后,我们能够找到绝对空间了,但是我们却发现我们的实验失败了。

于是,爱因斯坦修改了牛顿的假设。他认为:绝对的不是空间和时间,而是真空中的光速。不管在什么参考系中,真空中的光速都恒定不变,无论是力学规律还是电磁学规律也都不变,这样我们就要承认时间和空间都和运动有关,都是变化的。绝对时空并不存在。

狭义相对论有很多有趣的结论。比如:在地面上看,运动的火车长度会收缩,如果速度接近光速,长度就会收缩成0.在地面上看,运动的火车里的时间会变慢,如果速度接近光速,时间就会停滞。由于运动是相对的,火车上的人看地面,也会有长度收缩和时间变慢的现象。

有一部著名的科普书:物理世界奇遇记,主人公汤普金斯先生来到了一个光速非常慢的小镇。他发现骑车的人和开动的汽车长度都缩短了。

汤普金斯发现运动的物体长度收缩

而汤普金斯自己骑车时,反而发现街旁的路人和高楼全都跟着变窄了。

汤姆金斯运动起来,发现静止的物体长度收缩

当我们跑起来,整个宇宙中的每一个星系、每一个星球、每一个生命、每一个原子的尺寸都发生了变化。而当我停下时,一切又都恢复了原样,就好像什么都不曾发生。而且,这一切的变化都是对于我这名观察者而言,对另一个以其他速度运动的观察者来讲,宇宙又是另一番景象。

于是,有同学会感觉很疑惑:我一旦运动起来,整个宇宙的时间和空间都会发生变化,我一停下,时空又恢复如初。难道我有这么大的能量,能改变宇宙吗?

关于这个问题,我会在下一期漫谈相对论中为大家做一个简单的说明。关注我,和我一起读爱因斯坦的名著《狭义和广义相对论浅说》。

END

往期推荐

微信扫码关注该文公众号作者

戳这里提交新闻线索和高质量文章给我们。
相关阅读
漫谈相对论(7)爱因斯坦PK牛顿谁赢了?数据生变?!最新民调:莫里森更能成为好总理?!澳洲某党派又开始挑事!大放厥词有3位前总理出自其党派?用相对论证明勾股定理,数学教材的堕落 | 科技袁人天然香料的毒性40 万人爆仓,史诗级踩踏,LUNA 这一周的生死时速为什么让我们想到索罗斯和 1997 年的泰铢?漫谈相对论(4)对于不同观察者,宇宙到底有何变化?漫谈相对论(1)爱因斯坦的故事某滴被重罚,到底意味着什么?什么信号?帝国大梦,该醒醒了…… | 且看美国人权系列(三)中国视角看俄罗斯的政治理念(三)与西方阵营对话的问题新“三点论”?怎一个“虚”字了得!|“且看美国毁三观”系列评论(三)为什么相爱的人总是相互伤害人形机器人?陪伴机器人?什么是消费机器人的未来 | 5Y 3Sigma小圆桌相对论观测效应的视觉形象 | 韩锋错位的爱(完)逆风飞阳,步步惊心爱因斯坦广义相对论是如何被验证的如何向孩子解释核酸检测的原理?相逢本是一场梦(三)張潔死了四個月了漫谈相对论(二)时间和空间,其实都是牛顿的假设网络与复杂系统(三)阿里云首次盈利背后的「第一性原理」在离婚之后金靖职场霸凌助理?王嘉尔跪拜粉丝惹争议?抑郁症女星生了?淡雅女星婚变?漫谈相对论(5)狭义相对论最大的问题是什么?什么是等效原理?Netflix宣布放弃大半个硅谷园区!苹果RTO日期又双叕敲定,库克求放过:这次铁定不变了!难说再见,城超联赛——足球追梦人孔兵(三十三)名医@您丨肺癌的免疫治疗是什么原理?王兆耀:国家战略性力量——商业航天定位的再思考(三)赤子情怀∣从草根到特首:李家超的人生逆袭之路(三)揭开保险金信托的面纱(三)服务客户的心得最航运连载 | 对全球货运货代数字化的全新见解(三)九大商业细分模式!做题家们的悲歌(三):卑微的“人上人”之路漫谈相对论(6)什么是时空弯曲?广义相对论如何理解引力?
logo
联系我们隐私协议©2024 redian.news
Redian新闻
Redian.news刊载任何文章,不代表同意其说法或描述,仅为提供更多信息,也不构成任何建议。文章信息的合法性及真实性由其作者负责,与Redian.news及其运营公司无关。欢迎投稿,如发现稿件侵权,或作者不愿在本网发表文章,请版权拥有者通知本网处理。