什么是狭义相对论与广义相对论?

本文所涉及的都是较为基本的内容,不出现公式,不涉及复杂的数学。适合不了解“相对论”的朋友们阅读。

出品 / 囧知

几年前,意大利蒙札市议会禁止笼物的主人把金鱼养在弯曲的鱼缸里。提案的负责人解释:因为金鱼会透过弯曲的鱼缸,看到歪曲的景色一一这对它们来说是残酷的。

意大利议会的提案,似乎比咱们的很多政协提案还奇葩?不过,这个提案背后,其实隐藏着一个有趣的物理学和哲学思想。

试想一个有趣的情境假定这些鱼是智慧的,他们根据对鱼缸外部世界的观察以及分析归纳,得到了一套完备的“金鱼物理学”。只不过,在金鱼物理学里,所有我们看到的直线,变成了它们的曲线而已。

注:以上例子和思考,来自霍金所著的《大设计》一书。霍金提出一种哲学思考:如果我们认为,金鱼物理学是错的,我们何以得知我们拥有真正的,没被歪曲的实在图像?

假如金鱼们中出现了一个爱因斯坦,发现了鱼缸外的物质运动规律,并提出“直线运动“的概念,恐怕其他的金鱼会惊讶地张大嘴巴吧。因为,这实在是太“超出生活经验”“反常识”“反直觉”了。

没错,这就是今天说的第一个观点——

其实人类有点类似于这些金鱼。我们经历了600万年的进化到今天,但大脑并没有赋予我们“用生活经验就能理解宇宙运行规律”的功能。

所以下面的部分内容,你或许会觉得非常反直觉常奇怪。但这并不代表它是错的,反而,我们将说明,那些“诡异的理论”被实验证实是真的。

我们从狭义相对论(specialtheory of relativity)开始介绍

先说简单的例子,你拿着一个时钟,那么无论你是站着还是以跑着,这个时钟的运行速度都是一样快,对吗?

其实并不对

在原地站在地面上的人看来,跑动着的你手里的时钟走字的速度变慢了。

注:在低速运动状态下,这种变化微乎其微一一而若你的跑动速度越接近光速,时钟变慢的效果会越明显。

这就是狭义相对论中的“时间膨胀”效应

注:狭义相对论中,相对于惯性系统移动的时钟会走得较慢。

这么奇怪的理论,搁谁都不愿意相信。但为啥现在人们会认同这种“诡异的理论”呢?

因为实验是不会说谎的。1940年、1959年、1972年的多次经典实验,一再证实了这种“速度使时间变慢”效应的存在…

试想一下,如此有趣的“时间膨胀”效应,会造成什么现象呢?

假如有一对双胞胎兄弟,一个登上ー宇宙飞船作长程太空旅行,而另一个则留在地球。结果当旅行者回到地球后,会发现自己比留在地球的兄弟更年轻因为他的时间走得更慢。

注:这就是著名的“双生子佯谬”,后来也被实验证实是正确的。

有趣的现象不仅如此

再举一个例子:还是那个你手中的时钟。当你拿着它跑起来的时候,它不仅变慢了,而且质量也变大了。

注:“质量变大”意味着其受到的地球的重力变大,也可理解为“变重了”

如果你奔跑的速度能达到10%光速的话,时钟的质量只比原先增加了0.5%。而你要是以90%的光速运动狂奔,时钟质量会提升至约2.3倍。

注:光在真空中的传播速度为299,792,458米每秒,大约每秒走30万公里的距离,相当于24个地球的直径。

以上这些,都属于“狭义相对论”对现实世界的解释。

人们发现,它给我们带来的,对于世界的感性认识,造成了颠覆性的变化。而最“可恨”的是,截至目前的无数实验都证明,这个颠覆性的理论是正确的。

不过,狭义相对论理论本身,对于没有一定数学和物理基础的大多数人来说,难以直接通过简洁的语言解释。我们可以简单认为,狭义相对论,就是一种新的时空观”。在这种时空观中,物体的运动速度会影响其质量、空间、以及时间。

注:相对论的“时空”指的是“三维空间+时间”的“四维时空”

注:狭义相对论的一切内容,都是基于其两个基本原理,推论出来的。

原理1:【光速不变】所有惯性系中光速都等于299,792,458米每秒。一已得到实验证实。

原理2:【狭义相对性原理】在所有惯性系中,物理定律有相同的表达形式。

接下来说的,广义相对论( general theory ofrelativity),就容易解释得多了。

广义相对论,委婉地说,就是以一种新的理论,诠释了“引力”是咋回事。不客气地说,以一种新的理论,说明”引力”这东西压根就不存在。

我们回想一下,咱们中学课本的内容也就是牛顿的观点:“万有引力”切东西之间,都有引力。物体质量越大,引力越大,距离越大,引力越小。

苹果掉到地上,就是受到了地球的引力作用。地球绕着太阳转,就是受到了太阳的引力作用。

但是,广义相对论则认为有质量的物质,弯曲了“时空”。这种弯曲,影响了其他物体的运行,造成了似乎是有“引力”的样子。听起来有点绕吧?还是拿刚才的例子来说,地球弯曲了地球周围的时空,所以苹果沿着这一时空运动,就掉下来。

图为地球周围“被地球弯曲的时空”的概念图

太阳弯曲了它周围的时空,地球沿着这一时空运动,就绕着太阳转。

动图为地球在太阳周围,被弯曲的时空中运动的图示

美国物理学家惠勒,给广义相对论了一个最经典且简单的概括:物质决定空间如何弯曲,空间決定物质如何运动。

The central idea or general relativity: Matter tells space how to curve. Space tells matter how to move

同样,这个看似奇怪的理论,也是被实验证明正确的。

一个事实是,在同步卫星上的时钟,与地球表面是相对静止的,按理来说,其快慢应与地球上一致。但实际上,卫星上的时钟每天要快38微秒。就是因为在那个较远的位置,地球引起的时空弯曲较小。时间会过得更慢。

好吧,说了这么多,那意思是万有引力是错了咯?我们的中学课本在骗人咯?

额,严格来说,“万有引力”理论确实只是一种近似。只不过,在我们一般接触的范畴内,牛顿力学已经够用,够精确了。而且如果想让中学生一上来就学时空扭曲,强解相对论场方程,做洛伦兹变换,那也太…

不过话说回来,“相对论”也远非完美,没有许多亟待完善和解决的问题。或许有一天,人类能找到另一个更好更完备的理论来解释世界。就像是一百年前相对论拓展和修正了牛顿力学一样。

图为两种宇宙模型的比较

普通人为什么要了解这些?生活和工作中一辈子也用不到这样的知识?苹果掉地上,是被解释为“万有引力”,或者“时空弯曲”,对我们来说有什么差别吗?

或许,因为有趣。

或许,只是不甘于做一条金鱼吧。

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