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转帖:GRY - 《相對論點滴》
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中州楚佩
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文章推薦人 (4)

Patch Adams
淩子
riquelme
佟湘玉

這是在GRY的blog中的一篇原創文章,我覺得我們總是爭執與歷史黨爭也挺傷和氣的,不如一起補習一下科學知識。正好上周看到這篇原創科普,征得作者同意后貼了過來。

物理學是非常有趣的一個學科,要我說的話,每個人都應該掌握一些物理學的基本知識,對物理學的發展脈絡和發展方向有一個大體的瞭解。這個意義比什麽繁體簡體、孔孟文化還要重要呢。

遺憾的是,物理學發展到廣義相對論之後,就距離普通人的直覺有些遠了,做起科普已經很吃力。等到了量子物理,非專業人士簡直是眼花繚亂。更不用說什麽超弦這種聽起來就玄得不得了的名字啦。

更悲劇的是,中文的科普文章很少,翻譯過來的往往句式生硬。字詞都是中文,句子本身也符合中文語法,但是很難讓讀者流暢的隨著閱讀在腦中形成明晰的脈絡。GRY開了個頭,希望他早日把剩餘部份寫完。

有意思的是,本文的緣起是GRY與大隻熊網友的一次爭論,由此可見爭論有時也是好的,只要參與的雙方有明確針對問題的態度,旁觀的人總能獲得收益。術業有專攻,GRY與大隻熊不屬於一個領域,但都是寫作態度很認真的網友,盼望他們今後繼續給大家帶來營養豐富的扎實文字。

================
.....

言歸正傳,讓我們先從“光速不變”開始吧。

(一)光速不變

我們先要給這裡的所說的“光速”下個精確的定義:光速C,是指光或任何電磁波在沒有任何阻礙干擾之下(即在真空中)的傳播速度;光速有一個固定的值,C=299,792,458米/秒。

這個定義下過之後,如果再有人像那位臺灣網友那樣以光在不同的“介質”中有不同的傳播速度為由來死纏爛打,將被視爲愚蠢和不厚道。別忘了光的傳播是不需要任何“介質”的,而相對論也不涉及任何“介質”問題。至於光在透明物質中的傳播特性,那是另一個研究領域,関相對論X事,関我們所討論的問題X事。

除了不涉及傳播介質之外,“光速不變原理”也並非是指光速不隨早晨晚上、大陸臺灣、紅黃藍緑而變,所有這些東西都和“相對論”沒關係。在1905年,愛因斯坦潛心研究的問題是:在相對運動當中,光速會怎樣變化呢?

根據我們的常識,運動都是相對的。大陸歌星崔健唱過:“腳下的地在動、身邊的水在流”,説明了感覺一個東西動還是不動以及動得有多快,取決於你的觀測點,物理名詞叫“參照系”。那麽光也應該符合這種天經地義吧?比如你半夜在高速公路上把車開到180公里/小時,也就是50米/秒,那麽假設路邊有個人在測量你車頭燈光的光速,他測出的光速應該是299,792,458+50=299,792,508米/秒。這一推斷顯得無懈可擊,絕對不應該懷疑它的正確性吧?

可愛因斯坦懷疑了。難道他做過實驗,得出了可疑的結果?愛因斯坦沒做過,可在19世紀末還真有人做過,實驗數據顯示光速“大概”和參照系沒有關係。為什麽是“大概”呢,因爲以那年頭的技術水平做這種實驗,誤差可能會大到掩蓋真相的程度,誰也不敢據此下結論。

是這個實驗使得愛因斯坦產生了光速不變的念頭嗎?愛因斯坦自己沒說,旁觀者也衆説紛紜。

但可以肯定的是,愛因斯坦是崇尚“統一”之美的理論物理學家,一直在努力建立一套放之萬物而皆准的數學模型來從宏觀到微觀描述整個宇宙;而在他建立這套模型的時候,光速讓他十分困惑:如果把光速設定為隨參照系而變化的,那麽他的理論體系就崩潰了;而如果把光速設為絕對的,也就是說不論參照系本身是如何運動的,測量出的光速都是一模一樣沒有任何變化的,那麽他的模型就完美無瑕了。

我們再進一步説明一下愛因斯坦的這套“統一”理論是如何和“光速”打架的。要知道,在我們裸眼所及的範圍内,所有有形物質的運動規律均逃不出牛頓的三大運動力學定律。運動力學的一些核心要點是:

1、空間是一個絕對的概念,不隨參照系的改變而改變。比如,你所住的那閒房子的大小,不會因爲你在裏面靜坐還是翻跟頭而改變。

2、時間是一個絕對的概念,不隨參照系的改變而改變。比如,你坐在從北京到上海的飛機上,絕對不會擔心飛機上的時間和地面有什麽不同。

3、運動是一個相對的概念,隨參照系的改變而改變。這點就不用再舉例説明了。

4、在所有“慣性參照系”中,三大運動力學定律都以相同的形式成立。什麽是“慣性參照系”呢?“慣性參照系”就是沒有加速度的參照系,也就是不受任何外力的參照系;粗淺地解釋,也就是“靜止”或做“勻速直綫運動”的參照系——之所以說這種解釋“粗淺”,是因爲這是以人的主觀感受來描述參照系的運動狀態,而較真地說,在牛頓力學中,由於運動是相對的,所以斷言一個參照系是“靜止”還是“運動”是沒有意義的。擧一個慣性參照系的例子吧:一艘宇宙飛船擺脫了地球的引力,也擺脫了太陽系的引力,並且關閉了自身的發動機,完全依賴“慣性”在宇宙中“航行”;此時,飛船離所有恆星都很遠,所受引力可以忽略不計,那麽你坐在飛船上觀察宇宙,就是處於一個完全不受任何外力的“慣性參照系”中。嚴格地說,地球不是一個慣性參照系,因爲地球圍著太陽作圓周運動,而圓周運動是徹頭徹尾的加速運動,這是由於圓周運動的速度的“值”可能恆定不變,但速度的“方向”卻無時無刻不在改變;而加速運動必然有外力參與其中。但如果你把整個太陽系看成一個“點”,那就極端近似于一個慣性參照系了。

在描述“有形”物質運動規律的牛頓的“運動力學”之後,人類對電磁現象的研究成果也日趨成熟,發展成爲描述電磁波運動規律的“電動力學”。電動力學和運動力學一樣,建立在絕對的空間和時間之上,兩者的定理意義相容形式相似,只在一點上有重大矛盾,那就是,如果電磁波的速度也象有形物體的速度一樣隨參照系不同而變化,那麽電動力學的定理就不能以一個唯一的形式適用于所有慣性參照系;如果把光速假定為一個不隨參照系變化的常量,那電動力學定理就放之四海而皆准,但以運動力學的觀點來看,這一假定是荒謬的。

而在愛因斯坦看來,這個世界是“簡單”而“統一”的,必定可以找到一種方法彌合運動力學和電動力學的分歧。他一直在試圖建立一個全新的體系,讓運動力學和電動力學統一于其中。這一新體系就是1905年發表的“狹義相對論(Special Relativity)”。

“狹義相對論”的基礎是一個“公設(Postulate)”:光速不因參照系的變化而變化。這就是“光速不變公設”。順便說一句:“公設”應該是臺灣譯法,我覺得比譯成“假定”強多了。愛因斯坦當然不會認為這一設想是“假”的,而且自提出之日到現在的100多年時間裏,沒有任何一項試驗證明它是假的,卻有太多的試驗佐證了它的真實性。所以,我們不妨把這一“公設”上升為“公理”,即無需證明而自然存在的事實。

由於我們從來沒發現過比光跑得更快的東西,而光速不管在什麽地方觀測都是恆定不變的,因而不妨把光速C定為宇宙中速度的上限。有人看到這一句又會跳起來了:“豈有此理!我擧個簡單的例子就能推翻這一條!假定一枚火箭以“30公里/秒平方”的加速度加速上升,那麽10000秒之後,火箭就會達到光速;20000秒之後,火箭的速度就是兩倍光速!你凴什麽說光速不可超越?!”有這種想法的人請稍安勿躁,這個問題有關狹義相對論的另一個重要觀點——“質能守恆”,我們先將它按下不表,在下篇再作詳細介紹。

剛才講過,狹義相對論兼容了運動力學和電動力學。可是不對呀?“光速不變”明顯違背運動力學定律呀!其實不然,在相對論中,經典的運動力學是低速世界中的特例,而在高速世界,古典運動力學必須被修正才能適用。

可這又讓人產生疑問了:既然運動是相對的,那麽討論速度的“高”和“低”是沒有意義的,因爲這完全取決於參照系的選取,所以不存在絕對意義上的高速和低速,不是嗎?

還真的不是。以相對論的觀點來看,當一個物體相對于一個參照系的速度達到光速的時候,那麽這個物體相對于任何其他參照系的速度也同樣是光速。在這種情況下,速度已經不是相對的了,而是一個絕對的概念,與參照系無關。

但有一個例子似乎能輕易打垮上面的論斷:假設一艘飛船正以光速飛離地球,那麽,地面的人以地球作參照系,觀測飛船在時間T内飛行了距離L,得出飛船的速度V1=L/T=C;而飛船上的人以飛船為參照系,在同樣的時間T内也應該觀測到地球“飛行”了同樣的距離L,那麽地球相對于飛船的速度也應該是V2=L/T=C。那好了,根據上面的論斷,既然地球相對于飛船這個參照系的速度是光速,那麽地球相對于任何其他參照系的速度也應該是光速,那麽地球就應該以光速圍著太陽轉;用相同的方法,可以推知宇宙中的任何東西都是以光速運行的!

相對論看起來是無法自圓其説而一敗塗地了!但等一等,我們再來仔細檢查一下上述推理中的兩個實質上的假設:地球T=飛船T、地球L=飛船L。真是這樣的嗎?“當然!牛頓的運動力學告訴我們,時間和空間都是絕對的,是不隨參照系而改變的!”

聰明的讀者可能已經猜到相對論是如何避過這場滅頂之災的。既然牛頓經典力學中速度這個相對的概念到了相對論中已經變成絕對的了,那麽經典力學中絕對的時間和空間在相對論中爲什麽不可以變成相對的呢?一點沒錯,以相對論的觀點,在高速世界,地球T不等于飛船T,地球L也不等于飛船L,所以在飛船上算出的地球速度V2也不等于在地球上算出的飛船速度V1,而是遠遠小於V1。這就是說,時間和空間都是隨參照系而變化的。

不光如此,在相對論中,又一次和我們的感官經驗相悖,時間和空間因爲共同的相對性而融為一體,時間不再是一個獨立的概念,而成爲了空間的一個“維度”——相對論的世界是一個四維的世界。

在這個四維世界當中,運動力學和電動力學被天衣無縫地統一在一起,顯出前所未有的完美,並且孕育出另一項先知式的偉大理論——“質能轉換”或稱“質能守恆”。我們在下篇中介紹這一理論。

(未完待續)
我的家乡在远方
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麥芽糖
等級:8
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老丐經常使用這招.

主要是節省資源, 直接讓網友看到原文, 也不必全盤照抄.


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嘿嘿
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中州楚佩
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佟湘玉

我很不好意思地自我置頂幾天。

光榮屬於GRY~, 還請GRY主動把後續貼上來
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