第55章 一章教你搞懂狭义相对论
卡文迪许实验室，师徒四人终于从兴奋中平静下来。
汤姆逊接回信件，中气十足地说道：“在座的各位，都有机会冲一冲这个奖项。”
“哪怕第一届不能入选，后面几届依然有很大的机会。”
“比如卢瑟福，你的结果今年才发表，估计委员会就是想提名，也来不及了。”卢瑟福点点头，不是很在意，反正他也没准备在第一届里厮杀。
“布鲁斯，你就不好说了，我个人非常看好你的成就，但你毕竟太过年轻，那些物理宿老们可能会有偏见。”李奇维也知道的自己短板，不过他没有放弃。
“至于威尔逊，你也不要气馁，等你的云室设计成熟后，也必然是诺奖级别的成果。”
“也许十几年后，我们卡文迪许实验室会有四个诺贝尔物理学奖获得者。”
汤姆逊意气风发，三人都被他的自信所感染，房间内充满爽朗的笑声。
只有李奇维知道，实验室的辉煌可远不止于此。
而他自己也不能停下脚步，那就暂定一个小目标：狭义相对论。
如果说量子论是否定了牛顿的“连续”时空观，物理学家们在直觉上还能接受。
毕竟在宏观世界，牛顿力学定律依然起支配作用，量子论与牛顿力学只是对物质的研究尺度不同。
那么狭义相对论则是否定了牛顿的“绝对”时空观，物理学家们无论如何也接受不了。
狭义相对论是彻底颠覆了牛顿经典力学，甚至可以直接说，牛顿力学就是错的。
所以当爱因斯坦在1905年第一次提出狭义相对论后，当时的物理学界没人认可，一方面是牛顿的权威，另一方面则是这个理论太大胆。
与广义相对论那复杂到极致的数学变换相比，狭义相对论其实没有多少高深的数学知识。
这个理论的难点，其实在于人们对于时空观念的转变，需要反直觉，抛弃从小到大的固有思维。
狭义相对论有两条基本原理（公理，不证自明）：狭义相对性原理和光速不变原理。
狭义相对性原理：在一切惯性参考系（静止或直线运动的参考系）中，所有物理定律都是等价的。
光速不变原理：在一切惯性参考系中，光在真空中的速度c永远不变。
对于第一个原理，很好理解，因为这完全符合人类的直觉。
其实早在1632年，伽利略就提出了这个原理：相对于惯性系做匀速直线运动的任一惯性系，力学规律是相同的。
比如虽然地球在宇宙中不停地运动，但是不管它的速度是多少，我们在上面做实验都没有任何差别。
不管你是在南极做实验和还是在北极做实验，得出的物理规律一定是相同的。
至于第二个原理，则是理解狭义相对论最大的拦路虎。
首先我们要明白，光速不变原理不是爱因斯坦假设的，而是通过理论和实验测出来的，是真实的自然现象。
当年麦克斯韦横空出世，他的电磁方程组，得出的结果竟然发现光速c是一个恒定值，约30万公里/每秒。
后来又有很多物理学家，做了各种各样的实验，最后都发现光速c确实是一个常数，实验和理论吻合。
虽然麦克斯韦当初推导光速时，是基于空间中存在“以太”这个特殊参考系。
但不幸的是，后来的结果证明了以太不存在，这就是第一朵乌云的本质。
同时也是这个时代，困扰无数物理学家的最大障碍，没有人能理解光速c不变。
其实，如果想要理解光速不变原理，需要从两个角度去考虑。
第一，光速与光源的速度无关。
假设一个人A在草地上快速奔跑（速度大），然后打开手电筒；接着又缓慢行走（速度小），再次打开手电筒。
这两个过程在另一个人B观察来看，手电筒的光速居然是一样的，都是c，这就很奇怪。
因为如果把手电筒换成木棍，这两种情况下把木棍投出去，则B观察到的木棍飞行速度肯定不一样。
根据牛顿的惯性定律和直觉，人在助跑后，木棍能投的更远（假设投掷的力一样）。
问题来了，为什么惯性对木棍起作用，对光就不起作用呢？
后世的我们知道，第一因为光没有静止质量，所以也就没有惯性；第二光是瞬间激发的，打开手电筒之前，光并不存在。
光在产生出来的一瞬间，就和光源没有关系了，不仅人A的速度不影响光速，就连地球的公转速度也不影响光速。
这一点现在应该可以很好理解了吧。
难的是第二点，光速与观察者的速度无关。
假设现在没有B这个观察者了，而是A拿着手电筒匀速奔跑，自己观察光速。
在打开手电筒的瞬间，A有三种选择，第一继续向前奔跑，第二静止不动，第三掉头往回跑。
结果在这三种情况下，A观察到的光速全是一样的，都等于c。
这又是非常反直觉的现象。
因为光既然有一个具体的速度，那么顺着光跑，应该会观察到光速变慢；逆着光跑，则会观察到光速变快。
可现实却不是这样，为什么牛顿力学的速度叠加不再起作用呢？
这就涉及到时空的本质以及时空转换了，也是狭义相对论最最最难理解的点。
当时的普通人和物理学家在这一点上的认知几乎是相同的。
那就是在牛顿体系下，时间和空间是绝对的。测量时间的长短和测量空间的大小是绝对的，只有速度是相对的。
但是狭义相对论却指出，时间和空间是相对的，速度才是绝对的。测量时间和空间需要参考系，测量速度却不需要，速度是一个常量（不仅仅指光速）。
后面的钟慢效应、尺缩效应、以及质能方程都是基于这种时空观下的理论推导。
只要完成了这一时空观念的转变，打破经典力学的绝对时空观念，就能理解狭义相对论了。
至于如何理解空间和时间的相对性，那就是另一个复杂的问题，这里不便展开。
现在再回到第二点，为何速度不能叠加，通俗地理解，以不同速度运动的物体各自有自己的时间和空间。
所以此刻A所处的时空和光所处的时空已经不是同一个时空了，牛顿定律自然就失效了。
注意！这种情况下，哪怕是把光换成木棍，其实也不能叠加。
之所以后世初高中学习时，可以直接叠加，是因为在低速情况下，算出来的误差很小。
根据洛伦兹因子计算，当物体速度大于0.14倍光速时，相对论效应才大于1%。
所以在日常活动中，使用牛顿力学的近似计算也没什么问题。
至于光速为什么会是这个值，谁也不知道，只能把它当成宇宙真理，造物主故意设置等等。
李奇维想到这里，不由自主地一笑，狭义相对论果然过于逆天，难怪发表后得不到理解和认可。
一旁的威尔逊看到他无故发笑，便问道：“布鲁斯，你又有什么好想法了，要不和我讨论讨论？”
李奇维回过神，笑道：“哦，我在幻想，我获得今年诺贝尔物理学奖后发表的演讲呢。”
老威很生气，快速远离了装逼犯。
汤姆逊接回信件，中气十足地说道：“在座的各位，都有机会冲一冲这个奖项。”
“哪怕第一届不能入选，后面几届依然有很大的机会。”
“比如卢瑟福，你的结果今年才发表，估计委员会就是想提名，也来不及了。”卢瑟福点点头，不是很在意，反正他也没准备在第一届里厮杀。
“布鲁斯，你就不好说了，我个人非常看好你的成就，但你毕竟太过年轻，那些物理宿老们可能会有偏见。”李奇维也知道的自己短板，不过他没有放弃。
“至于威尔逊，你也不要气馁，等你的云室设计成熟后，也必然是诺奖级别的成果。”
“也许十几年后，我们卡文迪许实验室会有四个诺贝尔物理学奖获得者。”
汤姆逊意气风发，三人都被他的自信所感染，房间内充满爽朗的笑声。
只有李奇维知道，实验室的辉煌可远不止于此。
而他自己也不能停下脚步，那就暂定一个小目标：狭义相对论。
如果说量子论是否定了牛顿的“连续”时空观，物理学家们在直觉上还能接受。
毕竟在宏观世界，牛顿力学定律依然起支配作用，量子论与牛顿力学只是对物质的研究尺度不同。
那么狭义相对论则是否定了牛顿的“绝对”时空观，物理学家们无论如何也接受不了。
狭义相对论是彻底颠覆了牛顿经典力学，甚至可以直接说，牛顿力学就是错的。
所以当爱因斯坦在1905年第一次提出狭义相对论后，当时的物理学界没人认可，一方面是牛顿的权威，另一方面则是这个理论太大胆。
与广义相对论那复杂到极致的数学变换相比，狭义相对论其实没有多少高深的数学知识。
这个理论的难点，其实在于人们对于时空观念的转变，需要反直觉，抛弃从小到大的固有思维。
狭义相对论有两条基本原理（公理，不证自明）：狭义相对性原理和光速不变原理。
狭义相对性原理：在一切惯性参考系（静止或直线运动的参考系）中，所有物理定律都是等价的。
光速不变原理：在一切惯性参考系中，光在真空中的速度c永远不变。
对于第一个原理，很好理解，因为这完全符合人类的直觉。
其实早在1632年，伽利略就提出了这个原理：相对于惯性系做匀速直线运动的任一惯性系，力学规律是相同的。
比如虽然地球在宇宙中不停地运动，但是不管它的速度是多少，我们在上面做实验都没有任何差别。
不管你是在南极做实验和还是在北极做实验，得出的物理规律一定是相同的。
至于第二个原理，则是理解狭义相对论最大的拦路虎。
首先我们要明白，光速不变原理不是爱因斯坦假设的，而是通过理论和实验测出来的，是真实的自然现象。
当年麦克斯韦横空出世，他的电磁方程组，得出的结果竟然发现光速c是一个恒定值，约30万公里/每秒。
后来又有很多物理学家，做了各种各样的实验，最后都发现光速c确实是一个常数，实验和理论吻合。
虽然麦克斯韦当初推导光速时，是基于空间中存在“以太”这个特殊参考系。
但不幸的是，后来的结果证明了以太不存在，这就是第一朵乌云的本质。
同时也是这个时代，困扰无数物理学家的最大障碍，没有人能理解光速c不变。
其实，如果想要理解光速不变原理，需要从两个角度去考虑。
第一，光速与光源的速度无关。
假设一个人A在草地上快速奔跑（速度大），然后打开手电筒；接着又缓慢行走（速度小），再次打开手电筒。
这两个过程在另一个人B观察来看，手电筒的光速居然是一样的，都是c，这就很奇怪。
因为如果把手电筒换成木棍，这两种情况下把木棍投出去，则B观察到的木棍飞行速度肯定不一样。
根据牛顿的惯性定律和直觉，人在助跑后，木棍能投的更远（假设投掷的力一样）。
问题来了，为什么惯性对木棍起作用，对光就不起作用呢？
后世的我们知道，第一因为光没有静止质量，所以也就没有惯性；第二光是瞬间激发的，打开手电筒之前，光并不存在。
光在产生出来的一瞬间，就和光源没有关系了，不仅人A的速度不影响光速，就连地球的公转速度也不影响光速。
这一点现在应该可以很好理解了吧。
难的是第二点，光速与观察者的速度无关。
假设现在没有B这个观察者了，而是A拿着手电筒匀速奔跑，自己观察光速。
在打开手电筒的瞬间，A有三种选择，第一继续向前奔跑，第二静止不动，第三掉头往回跑。
结果在这三种情况下，A观察到的光速全是一样的，都等于c。
这又是非常反直觉的现象。
因为光既然有一个具体的速度，那么顺着光跑，应该会观察到光速变慢；逆着光跑，则会观察到光速变快。
可现实却不是这样，为什么牛顿力学的速度叠加不再起作用呢？
这就涉及到时空的本质以及时空转换了，也是狭义相对论最最最难理解的点。
当时的普通人和物理学家在这一点上的认知几乎是相同的。
那就是在牛顿体系下，时间和空间是绝对的。测量时间的长短和测量空间的大小是绝对的，只有速度是相对的。
但是狭义相对论却指出，时间和空间是相对的，速度才是绝对的。测量时间和空间需要参考系，测量速度却不需要，速度是一个常量（不仅仅指光速）。
后面的钟慢效应、尺缩效应、以及质能方程都是基于这种时空观下的理论推导。
只要完成了这一时空观念的转变，打破经典力学的绝对时空观念，就能理解狭义相对论了。
至于如何理解空间和时间的相对性，那就是另一个复杂的问题，这里不便展开。
现在再回到第二点，为何速度不能叠加，通俗地理解，以不同速度运动的物体各自有自己的时间和空间。
所以此刻A所处的时空和光所处的时空已经不是同一个时空了，牛顿定律自然就失效了。
注意！这种情况下，哪怕是把光换成木棍，其实也不能叠加。
之所以后世初高中学习时，可以直接叠加，是因为在低速情况下，算出来的误差很小。
根据洛伦兹因子计算，当物体速度大于0.14倍光速时，相对论效应才大于1%。
所以在日常活动中，使用牛顿力学的近似计算也没什么问题。
至于光速为什么会是这个值，谁也不知道，只能把它当成宇宙真理，造物主故意设置等等。
李奇维想到这里，不由自主地一笑，狭义相对论果然过于逆天，难怪发表后得不到理解和认可。
一旁的威尔逊看到他无故发笑，便问道：“布鲁斯，你又有什么好想法了，要不和我讨论讨论？”
李奇维回过神，笑道：“哦，我在幻想，我获得今年诺贝尔物理学奖后发表的演讲呢。”
老威很生气，快速远离了装逼犯。
温馨提示：按 回车[Enter]键 返回书目，按 ←键 返回上一页， 按 →键 进入下一页，加入书签方便您下次继续阅读。