狭义相对论的核心原理只有两条狭义相对性原理和光速不变原理其中光速不变原理非常难以被人理解和接受主要是不太符合人的直觉由于我们在小学数学中对行程问题有很多的训练对速度相加的法则非常熟练到中学开始又学习了牛顿力学这些都是绝对时空观的知识在脑海中已经根深蒂固不知不觉就会跳出来干扰人的思考所谓直觉其实是人习惯了的思考方式是可以练习的狭义相对论不太符合我们通常的直觉我们需要建立新的直觉
看一个理论是否正确主要有两个方面一个是看这个理论内部有没有逻辑矛盾另一个是看这个理论的计算和预测是否与实验和观测的数据相符合每个人其实都是在自己的逻辑体系里面进行思考他会很难发现自己的错误而且认为与自己体系不符合的观点是错误的科学的方法是假设对方的观点或者理论正确然后在这个观点或理论中寻找逻辑矛盾或者找到与可观测的现实结果不一致的地方
这里有一个有意思的故事在光的波动理论刚建立的时候法国数学家泊松反对波动光学他根据光的波动理论计算出如果用光照射一个不透明的圆盘在圆盘背后阴影的中央会出现一个亮斑他认为这是荒谬的因而波动光学是错误的波动光学的支持者们就根据泊松的计算做了实验结果发现圆盘背后真的有一个亮斑这个亮斑后来就叫做泊松亮斑泊松的计算反而支持了波动光学泊松反对波动光学的方法是科学的
因为相对论与人的直觉不相符合反对相对论的人很多前一阵河北燕山大学的教授宣称已经推翻爱因斯坦相对论研究项目被推荐入选2021年河北省科学技术奖这个项目后来被取消包括北京相对论研究联谊会这个反相对论的机构也被北京市民政局取缔按说人有研究的自由但是他们这些研究误导了社会骗取经费影响很不好其实科学界研究相对论的科学家是最希望推翻更恰当的说法是改进相对论的他们按照科学规范发表各种论文进行各种极其高精度的实验一旦发现问题就有可能改进相对论100多年来这些研究和实验都是支持了相对论
再回到狭义相对论狭义相对论的体系并没有逻辑矛盾很多人发现矛盾是因为他还在牛顿力学中进行思考重要的话说三遍不要在牛顿力学中反对相对论不要在牛顿力学中反对相对论不要在牛顿力学中反对相对论
我们来尝试按照狭义相对论的思路去理解它首先来看第一条原理狭义相对性原理狭义相对性原理是说在一切惯性系中物理定律都是等价的或者说我们不能通过物理实验来发现不同惯性系的区别所谓的惯性系简单来说就是匀速直线运动的参考系
我们坐在火车上与另一列火车错车而过的时候常常会有一种体验以为我们所坐的火车是静止的而另一列火车在运动等两列火车错开才发现对面的火车停在站台上根本没有动而是自己所在的火车在动我们乘坐其他匀速直线行驶的交通工具时也会有分不清静止还是运动的感觉有人在匀速直线行驶的高铁窗台上面立起硬币签字笔手机倒立的矿泉水瓶等物体能够长时间稳定的直立不倒水面平稳不晃高速运动的火车上如同静止一样不观察窗外的景物根本不能发现火车在运动而观察窗外发现火车运动是因为人事先假设了窗外景物是静止的如果窗外悬挂一副很长的画布并且拉画布运动那么车内并不能区分出画布在动还是火车在动
不仅人的感觉无法区分火车是否运动人们还做了各种精确的物理实验发现任何物理实验都无法从内部区分静止和匀速直线运动的火车这就表明在静止和匀速直线运动的火车上具有相同的物理定律用物理学的语言表述就是狭义相对性原理也就是物理定律对一切惯性参考系都是等价的这个原理又叫舟行不觉原理源于东汉时期的尚书纬考灵曜一书人在大舟中闭牖yu窗户而坐舟行而人不觉也这一原理是由伽利略首先发现的所以也叫伽利略相对性原理一般来说伽利略相对性原理仅限于力学狭义相对性原理适用于所有的物理学包括电磁学等
到现在为止还没有发现违反这一原理的物理现象狭义相对性原理是物理学最基本的原理之一这一原理非常重要它表明了惯性参考系的等价性我们可以知道遥远的星系和地面实验室中具有同样的物理定律因而在地面实验室中就可以对遥远的星系中发生的物理过程进行研究否则这就是不可能的
狭义相对性原理也表明绝对静止的惯性参考系也就是牛顿所谓的绝对空间是不存在的因为所有相对运动的惯性系都完全等价不存在哪一个惯性系比其他惯性系更加优越
狭义相对性原理比较容易理解难以理解的是第二条原理光速不变原理
光速不变原理是说无论在哪一个惯性参考系中观察光在真空中的传播速度都是一个常数不随光源和观察者的运动速度而改变这个真空中光速常数的精确数值是米秒约为30万公里每秒
这一原理有两个含义一个是真空中光速与光源的运动速度无关另一个是真空中光速与观察者的运动速度无关这个我们必须分开来看否则理解会非常困难真空中光速与光源的运动速度无关意思是说在同一个惯性参考系统观察不同运动速度的光源发出的光的速度都完全一样
这与人的直觉很不一致假设一列火车向前运动的同时向前方发出一束光我们知道标枪运动员投掷前助跑能够提高标枪的投掷速度通常我们会认为静止观察者观察到的光速也会变快速度为静止光速与火车运动速度的和也就是速度相加光相对于光源也就是运动火车的速度为C运动火车相对静止观察者的速度为V光相对于静止观察者的速度似乎就应该是v加上C这是一个错误的理解实际上不知不觉引入了牛顿的绝对时空假设运动火车与静止观察者的时空是完全一样的把两个不同时空中的速度进行相加如同把人民币与美元直接进行相加得到的什么都不是
1964年在日内瓦的欧洲核子研究中心CERN使用由中性介子组成的辐射源以99975倍光速的速度前进测得沿运动方向发射的光子速度同静止辐射源测的光速极其一致实验误差为13104左右这个实验证实高速运动的光源发出的光速度依然不变我们的直觉很不靠谱
我们看到的夜空是稳定的恒星是一个光点位置常年固定不变如果星光的速度有差异那么我们看到的星光将大不一样天空所有的恒星都在进行着自转和各种公转恒星在不同时间以及恒星表面的不同部位或者靠近或者远离地球相对地球的速度都是不同的我们知道马拉松跑步时由于跑步速度的不同一开始聚集在一起的人们会逐渐拉得很开如果同一时刻从恒星表面发出来的光速度有1米秒的差异那么这些光在宇宙中传播1亿年后距离将会相差三万亿公里因此我们将看不到同一时刻的恒星我们看到的同一颗恒星的光将来自于不同的历史我们看到的恒星可能是一条带状或者一个线段而不是一个光点每一张星空的照片实际上都证明了光速是不变的
其实空气中声音的速度也与声源的运动速度无关静止不动的人和快速跑步的人发出的声音在无风的空气中传播速度完全一样都是340米秒超音速飞机会把它产生的声波留在后面形成激波水波的传播速度也与波源运动速度无关快速运动的游艇可以超过它产生的水波
麦克斯韦的电磁理论指出光是一种电磁波是电磁振荡在空间的传播振荡的电场在周围产生振荡的磁场振荡的磁场又在周围产生振荡的电场如此循环往复向远处传播这个电磁振荡在真空中传播的速度固定不变可以通过波动方程准确的计算出来它的值就是真空中的光速常数为米秒
与声波和水波的传播速度与波源运动速度无关一样光也是一种波电磁波在光源发出光的瞬间光就以电磁波的形式按照电磁规律以固定的速度向远处传播传播的速度与光源运动速度无关
与标枪的例子不一样标枪在运动员投掷出去以前一直是存在的并且和运动员一起运动而在光源发出光以前光是不存在的并不是由光源携带一起运动光只是光源在真空中激发出的电磁场波动它一产生就只能按照电磁规律以固定的速度传播如同无足鸟的传说一样有一种鸟它没有脚一生下来就只能不停的飞不停的飞
理论和实验都证实了真空中光速与光源的运动速度无关通过上面的思考我们可以加深理解为什么光速与光源运动速度无关改变我们以前形成的直觉或者说是错觉
光速不变原理的第二个部分是真空中光速与观察者的运动速度无关
人们都知道静止的飞机被鸟撞上会毫发无伤而飞行中的飞机被鸟撞上却会被撞出一个大洞甚至机毁人亡在高速飞行的飞机上看来鸟的速度变快了很多我们的直觉也会觉得观察者相对光源运动可能会观察到更快的光速
这里我们把自己当作观察者了有一种寒冷叫你妈觉得你冷妈妈习惯于代替自己的孩子进行思考和感受鞋子舒服不舒服只有脚知道观察者观察到的光速有没有变快一定得问观察者自己其他任何人毕竟都不是观察者最多只能算是观察者的观察者观察者观察到的速度必须要在观察者所在的参考系中来看从观察者的角度他自己是静止不动的是一个惯性参考系光源在相对观察者运动根据狭义相对性原理物理定律在一切惯性系中都是等价的如果真空中的光速在一个惯性系中与光源运动速度无关那么在一切惯性系中都会观察到真空中光速与光源运动速度无关因此这个观察者观察到的光速也是固定不变的与光源运动速度无关的
假设观察者在火车K中做物理实验在他睡觉时火车K以速度V运动起来成为了另一个惯性系K观察者醒来继续实验狭义相对性原理表明他观测到的真空中光速完全一样同样也与光源的运动无关他完全没有发现自己已经换了一个惯性系因此真空中的光速与光源的运动速度无关也与观察者的运动速度无关是一个固定不变的常数这就是完整的光速不变原理
这里我们没有在用空气中的声速进行类比虽然无风的空气中声速也与声源的运动速度无关但只是相对于静止的观察者运动和静止的观察者相对声速是不对等的一个相对空气运动而另一个相对空气静止他们观察的声速也就不一样而真空对于任何惯性系都没有任何区别
在现代国际单位制中光速只是一个定义先给出秒的定义然后定义一米为光在真空中1秒内行进的距离这样通过单位制的约定在任一个惯性系中光在真空中的速度都是米秒
光速不变原理非常难以理解但是它经过了严谨的理论计算和精确的实验验证经过了上百年的考验已经不用质疑上面关于光速不变原理的内容并不是论证只是试图去理解它实际上还有更复杂的内容
有了狭义相对性原理和光速不变原理就可以建立起狭义相对论的整个理论体系推导出所有的公式包括钟慢效应尺缩效应同时的相对性质能方程等等这里就不多介绍了一下子也介绍不过来
这些效应都不太容易理解理解的关键就是放弃牛顿绝对时空观接受相对运动的不同观察者具有不同的时空也就是换位思考想知道谁的观察结果就问谁不要代替别人做结论放下已经形成的直觉和成见非常困难一旦放下新的世界就会呈现在眼前
时空之舞
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作者陈海涛著时空的曼舞宇宙的颂歌智慧的光芒深邃的相对论因本书而触手可及
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