胡攪蠻纏:詭異相對論 | 老和山下的小學僧_風聞
西方朔-2020-09-12 09:13
導讀
相比玄而又玄的量子力學,相對論也不遑多讓。兩大理論同宗同源,同一時間誕生自物理學的兩朵烏雲,這哥倆聯手摧毀了經典物理學大廈,卻又有着截然不同的秉性。科學之魅力,便在於荒誕不經的表象背後所藴藏的嚴絲合縫的驚人巧合。
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愛因斯坦説:“科學沒有宗教如同瘸子,宗教沒有科學如同盲人。”相比玄而又玄的量子力學,相對論也不遑多讓。兩大理論同宗同源,同一時間誕生自物理學的兩朵烏雲,這哥倆聯手摧毀了經典物理學大廈,卻又有着截然不同的秉性。
科學之魅力,在於荒誕不經的表象背後所藴藏的嚴絲合縫的驚人巧合。如果説量子力學是物理學家的羣魔亂舞,那麼相對論就是愛因斯坦的獨角戲;如果説量子力學是積小流成江海,那麼相對論就是橫空出世;量子力學是從實驗現象拼揍出理論公式,相對論則是憑空捏造後再尋找實驗驗證;量子力學收割了成堆的諾貝爾獎,相對論只是少數人的孤芳自賞;量子力學早已落地生根,相對論依然空中樓閣;量子力學只管微觀(電子質子),相對論只管宏觀(時間空間)……
相對論和量子力學彷彿商量好一般,默契到無以復加!這兩個理論是如此矛盾,卻又都如此準確,真是折磨了一代又一代的物理人!不多廢話,下面有請專利局的小科員愛因斯坦同學,為我們演繹“獨角戲”。
先等等,大家知道我比較囉嗦,正戲哪有這麼快開始,先聽段前奏吧!
物理學家大多秦始皇轉世,天生有“大一統思想”,最好把宇宙所有規律歸納成一個公式。經典物理經歷了開枝散葉的“牛頓時代”後,又逐漸歸攏走向統一,但凡能在“大統一”事業上有所建樹的科學家都能名垂史冊。
“大統一”路上的巔峯之作,非“麥克斯韋方程組”莫屬,至少排名人類最偉大公式前三甲!原本“電”和“磁”是兩路人,但自從法拉第發現電磁感應後,大家都知道電和磁早就有一腿了,卻苦於沒有牽線搭橋的媒婆。正當大家乾着急時,麥克斯韋大筆一揮,從此電、磁成了一家人。
麥克斯韋方程組以如此優美的形式,完整闡述了電和磁的相互轉化規律,堪稱物理學難得一見的白富美!“光”也是電磁波,愛因斯坦一直對“光”情有獨鍾,於是他就很痴迷的看着這個白富美。這情景神似楊過悟出黯然銷魂掌,愛因斯坦看着看着,豁然頓悟,提出了一個銷魂的假設:光速不變原理!
這是何意?舉個例子:你站在路邊不動,我騎車速度10km/s,妹子開車速度50km/s,那麼妹子對你來説速度是50,對我來説速度是40。這個是我們正常的理解,對吧?
同樣的場景,把妹子換成“光”,那麼應該是:光對你來説是300000km/s,對我來説是(300000-10)km/s,對吧?愛因斯坦説,你們太不瞭解“光”妹子了,無論你們的速度是多少,她的速度永遠都是300000km/s。極端一點,你的速度是0,而我的速度是299999km/s,同一束“光”,對你來説速度是300000km/s,對我來説依然是300000km/s!要崩潰了,有木有!兄弟,無論哥追的有多塊,咱離妹子都是一樣的遠吶!
那這到底是一束光還是兩束光啊?當然只是一束光,只不過,這束光在不同的人看來,永遠都是一樣的速度。相對論的起點就是來自這麼一個無比荒誕的假設:光速不變原理!
既然光速絕對不變,那應該叫“絕對論”,幹嘛叫“相對論”?相對論是與“絕對時空觀”相對應的,學術點説,一切物理定律在所有慣性參照系中具有相同的數學形式,學名“相對性原理”,這是相對論的第二個假設。
這個話題又有點哲學的味道了。回到剛才的場景,我騎車的速度是10,而你站在路邊不動,假設整個系統或者説全宇宙只剩下你我,那麼到底是誰在動,誰不動?在你看來我在動,在我看來你在動,為了搞清楚誰在動,就把這事説成:我相對於你的速度是10。這是高中物理的內容,今天的人不難理解,不過在當時“以太”學説的背景下就不一樣了。
什麼是“以太”?又是亞里士多德這位老同學提出的概念:空間是以太組成的,靜止和運動都是相對空間而言,也就是説“我相對於空間的速度是10”,而不是“我相對於你的速度是10”。這種觀點,再算上亙古不變的一維時間,稱之為牛頓時代的“絕對時空觀”。
“光速不變原理”+“相對性原理”,好吧,那然後呢?憑這兩下子就想顛覆世界?大家注意,老司機愛因斯坦開始飈車了,心臟不好的備好速效救心丸!
假設光速是30,老司機把車速飆到26,車廂高度是15。然後,車廂天花板發出一束光,垂直照到地板上。對車廂內的人來説(即以車廂為參照系),車廂是沒有速度的,所以這束光走過的路程就是車廂的高度,根據光速不變原理,花費時間:車廂高度/光速=0.5。

但對車廂外的人來説(即以地面為參照系),光束在移動的過程中,車廂也在移動,所以光走的路徑是一條斜線,顯然路程比原來更多了,而光速是不變的,根據時間=路程/光速,這事情就大條了!
咱算算,假設花費時間為t,那麼這段時間車廂的移動距離是26t,根據勾股定理,光束走的路程30t的平方=車廂高度15的平方+車廂移動距離26t的平方,解方程得t=1。同樣一件事,車廂外比車廂內多花了一倍的時間!
愛因斯坦説,光速是不變的,只能委屈時間了,沒錯,車廂內的時間膨脹了!
這事兒怎麼聽着怎麼怪,再走一段看看。
老司機飈車的過程中,在車廂中間閃一下光,對車廂內的人來説,顯然光是同時達到前壁和後壁。對車廂外的人來説,車在前進,而光速不變,所以光先到後壁,再到前壁。如果前後壁分別有個接收器,那麼這兩個接收器接收到信號,是同時?還是不同時?

愛因斯坦説,你們壓根不知道啥叫“同時”,如何判斷在兩個地方發生的兩個事件是否同時?當這兩個事件發生的瞬間各自發出一個閃光信號,如果光同時到達這兩個地方的中點,那麼就認為這兩個事情是同時發生的,不然就是不同時的。所以車廂內的人看是同時的,車廂外的人看是不同時的,“同時”也是相對的。
各位看明白沒?這“光”真是集愛因斯坦萬千寵愛於一身,連時間都要按照光的腳步走。
本學渣表示不服,這説法太賴皮了!那豈不是説,我身邊發生的一切都是延時的,我永遠生活在過去?因為他們的光信號跑到我這都需要時間!舉個例子,假設太陽突然消失了,8分鐘後,地球就會知道,那地球人有沒有可能在太陽消失的一瞬間就知道?愛因斯坦説,完全不可能,太陽消失後,地球依然可以感受到陽光,感受到太陽引力,無論用什麼方法都無法在8分鐘內得知太陽消失了,就算你在太陽上找個人給你打電話,無線電信號也得經過8分鐘才能飛到地球。那麼問題來了,對於地球人而言,太陽到底是8分鐘後消失的,還是現在消失的?
好吧,我承認已經有點整糊塗了,索性再把問題攪亂些。
車廂內的人測量車廂長度(相當於車廂靜止),把車廂兩端在刻度尺上的位置記下就行。車廂外的人測量車廂長度,車廂在運動而刻度尺是靜止的,所以必須在某一瞬間“同時”記下車廂兩端在刻度尺上的位置,這個“同時”是愛因斯坦定義的同時。這樣的話,運動的車廂比靜止的車廂短,這個結論會不會有點扯?
愛因斯坦説,在“光”面前,時間都能委屈,長度算什麼!物體沿着運動方向的長度會收縮,這叫“長度收縮效應”,簡稱“尺縮效應”。
得了,那質量多半也節操難保了。
沒錯,因為時間和速度相關,速度和動能相關,動能和質量相關,這樣推導下來,質量也就不是原來的質量了。愛因斯坦説:質量會隨着速度增加而增加,然後結合動量和動能公式,就得到了大名鼎鼎的質能方程:
雖然愛因斯坦把時間、長度、質量都攪的一塌糊塗,但本質上,無非就是運動參照系和靜止參照系之間的公式轉化而已。數學好的同學開始得瑟了,時間膨脹、長度縮短、質量增加,都可以按照“洛倫茲變換”推導:
看這些公式,你就明白為什麼愛因斯坦不喜歡超光速了,按照上面的公式,一旦物體到達了光速,時間變得無限慢、長度變得無限小、質量變得無限大,這種扯蛋程度終於連愛因斯坦自己都不能接受。
到現在大家覺得還能勉強接受的話,那麼接下來老司機要開始漂移了。剛剛説的那些假設都是在勻速和靜止的前提下討論的,這種場景只適用於理想情況,所以叫“狹義相對論”。
如果在參照系中加上引力或者加速度什麼的,基本就能適用所有情況,顧名思義,這就是“廣義相對論”。
廣義相對論不僅內容奇葩,而且數學艱深,愛因斯坦不得不求助數學家格羅斯曼,共同完成論文《廣義相對論綱要和引力論》。除了數學系和物理系的同學,其他同學還是別看了,太辣眼睛!
英國科學家愛丁頓是第一個向英語世界介紹廣義相對論的人。某日,有人問愛丁頓:“尊敬的教授,聽説世界上只有三個人懂得相對論,是這樣嗎?”愛丁頓略加思索後回答:“您也許説得不錯,不過,我在想第三個人是誰呢?”
顯然,我肯定不是第三個人,對廣義相對論連囫圇吞棗都談不上,只能生搬硬套,各位就聽個味道。
老司機狠踩油門,汽車加速前進,注意是加速中。一束光從車頂照到地板,光速是不變的,而車子在加速,就好像水流往下流,車子在加速,那麼水流應該是彎曲的,也就是説,光應該是彎曲的。
愛因斯坦説,光速不能變,只能委屈空間了,是空間彎曲了!太耍懶了,有木有!明明你自己彎了,非説是空間彎了!
愛因斯坦接着説,“引力”和“加速度”是等效的,所以引力也會引起空間彎曲。接着展開一下想象,如果引力足夠大,空間足夠彎曲,像摺紙一樣,把遠端的兩個點,彎曲重疊在一起會發生什麼?沒錯,蟲洞的概念有了!開個蟲洞撕裂空間,就可以從這個點直接到另一個點,夢幻般的空間跳躍!
這還沒完,引力導致空間彎曲,進而使得光線走的路程變了,根據光速不變原理,時間=路程/光速,所以時間也就變慢了。
用一句話概括廣義相對論,那就是:引力和加速度,使空間彎曲,使時間變慢。
目前為止,你還可以認為這一切都是胡攪蠻纏,大罵愛因斯坦是譁眾取寵的神棍!此時的相對論,就像是埋設在物理學大廈裏的炸藥,就差一個導火線。然而,很快人們就找到了無數導火線,引爆了這座數百年的經典大廈。
1911年愛因斯坦發表《引力對光傳播的影響》,由於太陽的引力和質量會使周邊空間產生彎曲,使得光線經過太陽附近時也會彎曲,這一現象可在日全食進行觀測。忠實粉絲愛丁頓忽悠英國政府資助了這次荒唐的測試,最終,觀測數據基本符合愛因斯坦的預測,愛丁頓感慨道:這個小小的移動,改變了世界。
由於媒體的介入,愛因斯坦一夜爆紅。卓別林有句俏皮話,恰如其分的概括了當時的場景:“人們為我歡呼,是因為他們懂我的藝術,人們為愛因斯坦歡呼, 是因為沒人懂他的理論。”
困擾了天文學多年的水星近日點進動問題也得到了圓滿解釋。水星運行到近日點時有些多餘的進動(可理解為抖動),多餘進動值為每百年43角秒,當時沒人能解釋。愛因斯坦計算了太陽對空間的彎曲曲率,ε=24π2a2/T2c2(1-e2)=43″/百年,完全吻合,這多餘的進動是空間彎曲造成的。後來測到的金星、地球的數據也都相符相對論。
為了驗證引力對時間的影響,不斷有科學家把原子鐘送到外太空,由引力產生的時間偏差也完全符合相對論。相對論還可以解釋“為何光在水、空氣等不同介質裏的速度不一樣”,原子核的質量使周邊空間發生彎曲,導致光的路程變多,從宏觀上看光速就慢了。
相對論以勢不可擋的姿態揭開了這個荒誕世界的外衣,再次讓人類意識到自身的無知和渺小。我得再次膜拜一下愛因斯坦!要知道,當時的人們已經沉浸在量子力學帶來的巨大震撼中:東西都是一段一段的、位置也是隨機的,而相對論的空間描述是連續的、是可精確計算的、是與量子力學完全矛盾的,這簡直是逆天下大勢!
任誰也沒想到,上天竟會同時送給人類兩件截然不同的禮物!更難能可貴的是,愛因斯坦既是量子力學的奠基人,也是相對論的開創者,這一手“左右互搏”的功夫,不敢説“後無來者”,至少是“前無古人”了。
不過,相對論的應用少之又少,僅僅只是用來校準各種觀察數據或實驗設備,比如GPS精度校準,高能粒子質量和壽命的變化,或是預言一下引力波的存在,等等。
回頭再看這個爛攤子,愛因斯坦撩完妹子,拍拍屁股走人了,但對於這個理論的起點:光速不變原理,已經弄瘋了無數的數學家和物理學家。
相對論和量子力學把科技樹主幹硬生生掰成了兩個方向,這一百年來,所有物理學家夢寐以求的就是統一這兩大理論,但無一不是折戟沉沙!尚未陣亡的僅剩“超弦理論”。
最後説個趣聞,前幾年有個新聞説科學家發現了中微子“超光速”現象,轟動一時,不知各位是否有印象?當時我看到新聞差點嚇尿,記者同志可能分不清“超光速”和“超音速”的區別,超光速意味着基礎物理的再一次顛覆!於是趕緊跑學校請教有關老師,後來一聽説是意呆利做的,大家都鬆了一口氣。果然,半年後,發現線路接錯了。其實在國外,高校裏的科學神棍也很多(注意這個“也”字),英、美、德、日的消息相對靠譜一些。
物理學家固執地認為事物的本源最終都是相通的,樂此不疲地奔波在大統一的路上。作為一個曾經追逐過統一夢的物理人,期待有生之年能再一次遇見物理學的大變革,也期待中華民族能在這次大變革中為人類文明貢獻應有的智慧!