雖然相對論確實很反常識,但是還是可以試著通俗的講一講的。
這集我要講,愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論有什麼差別?為什麼要分狹義和廣義?還有相對論到底是在講什麼
?
首先我們要明白相對論是愛因斯坦對牛頓力學體系的一個修正,這個觀念要明白,是修正不是革命替代。也就是說牛頓的力學不是錯了,而是它的適用範圍有限,它只能在低速宏觀的條件下使用,而當物體以接近光速運動的時候牛頓的力學就不太準了,這時候我們要用相對論力學來修正它。也可以這樣理解:牛頓力學是相對論力學在速度遠小於光速時候的一個特例。
我們先看狹義相對論(叫狹義是因為狹義相對論只在慣性系中有效,它考慮的是平直時空的問題,不涉及引力),看看它到底修正了牛頓力學的哪些東西,看看有哪些東西到了接近光速的時候就不能用牛頓力學來解釋了。
本來牛頓的世界一切都安靜祥和美好,宇宙的規律似乎盡在掌握之中,但是這時候出現了一個不聽話的東西:那就是光!
光怎麼個不聽話法呢?因為光速它不變!
有人說光速不變有什麼奇怪的? 物理學裡速度不變的東西多的是,聲音在空氣裡的傳播速度也不變,鐘擺也一直規矩的搖擺。但是我說的光速不變不是指這個,而是說光速相對參考系不變!
怎麼理解這句話成了理解狹義相對論的關鍵。
我給大家舉個例子:假設你現在在一輛火車上,火車的速度是每秒100公尺,然後你以每秒1公尺的速度在火車裡面往前走,這時候你想像一下如果地面上有個人,他測量你的速度的話,會是多少?
我相信你敢肯定的說是每秒101公尺,這麼簡單的問題最強小六生都會。沒錯確實是每秒101公尺,地面上觀測到人的速度就是火車的速度+人在火車上行走的速度。而且不光是人在裡面行走,似乎不論什麼東西,你在火車裡丟飛鏢也好,開槍也好,都會滿足這種簡單的加法,也就是說地面上的人觀察到的速度一定是,火車的速度加上火車裡面東西的速度。
但是當實驗對象換成光的時候,這一切就變了!我們現在都知道光速大約是每秒30萬公里(後面的光速用字母c代替),如果我在火車裡打開一個手電筒,我在地面上的人測量這個光速,它居然不是c+100,而是依然還是c。也就是說我在地面上測量手電筒的光速,竟然不是光速+火車的速度,我在火車上測量光速是c,到地面上測量它還是c。
這又是一個不可思議的事情!
科學家們做了很多實驗,最後的結果都是一樣的:光就是這樣有個性,不論誰在哪裡測量,他都是c,完全不符合牛頓力學裡最基本的速度疊加原理,這件事情要怎麼處理?
有一大批人試圖用以太來解釋這個問題,後來這一批全部陣亡,不解釋。
愛因斯坦想,光好像確實與眾不同,不同參考系下的光速確實都是一樣的,不符合以前的疊加原理,這種事情要怎麼辦呢?
為什麼光速會不變呢?想不通,既然想不通,那就乾脆假設光速是不變的,看看能推導出一些啥東西來,而且如果假設光速是不變的,馬克士威(麥克斯韋)電磁學和牛頓力學之間的矛盾也好解釋了,也能解釋一些其他的難以理解的現象,這真是一舉多得啊。
然後我們看看愛因斯坦推導出什麼來?如果光速是不變的,那麼運動的物體時間會變慢,長度會縮短,質量會增加,又出現這些不可思議的現象!
愛因斯坦推出來的這一套就是狹義相對論。
所以簡單來說,狹義相對論就是愛因斯坦假設光速在不同的參考系下都一樣,然後把牛頓體系裡除了萬有引力定律的東西重新給推理了一遍。因為光速是不變的,所以在愛因斯坦推導出來的新公式裡,什麼都跟光速有關係,時間、長度、質量、能量都是,然後就有了上面說的運動的物體時間會變慢,長度會縮短,質量會增加這些狹義相對論的效應。
上面說了狹義相對論,那廣義相對論又是什麼?狹義廣義,從名字上來看,也應該知道廣義相對論適用的範圍更廣一些。還記得上面在說狹義相對論的時候我說了狹義相對論是基於慣性系的嗎?慣性系就是靜止或者勻速直線運動的參考系,勻速就是一樣的速度,簡單來說就是沒有加速度的條件,但是世界上根本找不到真正絕對的慣性系,真正的物理世界基本上一動就會碰到加速度這個怪物。
那該怎麼辦?總不能讓一種理論永遠只存在於理想環境裡吧?於是愛因斯坦就絞盡腦汁,把相對論從慣性系推廣到非慣性系,要讓這一套思想真正的在不管有沒有加速度都能使用,愛因斯坦成功了,後面這個在非慣性系裡也能用的就叫廣義相對論。
大家還記得我在上面一句話說狹義相對論的時候,說狹義相對論是把牛頓體系裡除了萬有引力定律以外的東西都給推了一遍嗎?為什麼要把萬有引力定律除外?
理由很簡單,狹義相對論是考慮的是慣性系,如果有引力的話,那肯定就會產生加速度,變成非慣性系了。所以狹義相對論無法包含萬有引力定律,也無法處理加速度的事情。
引力和加速度,一個代表力,一個代表運動,這兩個事在狹義相對論里都解決不了,那要怎麼辦呢?
據說愛因斯坦有一天晚上做了一個夢,夢到自己在一個電梯裡垂直自由下落,就大怒神馬自由落體,然後他想到了一件事:如果一個人在電梯裡自由落體,那麼它是感受不到重力的,就像在電梯裡懸浮了一般。
愛因斯坦:電梯自由下落這是引力導致的,我在電梯裡感受不到重力加速度。這個場景剛好把狹義相對論無法處理的兩個東西(引力和加速度)都包含進來了,而且他們似乎是相等的。
總之愛因斯坦經過一輪瘋狂的思考之後,他提出一個大膽的了假設:引力場和加速度的等效的(做了通俗化處理)。
說的正規一點就是:局部引力場中自由下落的參考系與無引力場的慣性系不可區分。
回到電梯的話題就是:我懸浮在電梯裡,你從裡面完全無法區分我是懸浮在太空裡(慣性系),還是在一個自由落體運動的電梯裡(有地球引力的非慣性系),為什麼會說宇宙是慣性系的?因為那時他認為宇宙是靜止不動的,無法區分就是等價,就是一樣的意思。
總之,這個東西就是等效原理,是廣義相對論的一個假設(跟光速不變是狹義相對論的假設一樣)。
這說明了什麼?愛因斯坦把一個有引力非慣性系成功的轉化成了一個慣性系,這就意味著愛因斯坦可以這樣去處理引力,把引力場等效成一個特殊的慣性系,然後在慣性系裡我就可以使用狹義相對論了。
愛因斯坦真的就這麼幹了,利用等效原理可以把帶引力的非慣性系轉化成不含引力的慣性系,簡單說就是凡是有引力的地方我都給它加一個自由降落的參考系將引力消除,然後剩下的事情用狹義相對論處理。利用這樣的思想,愛因斯坦創立了廣義相對論,把引力包也包含到裡面去了。
這裡我們瞻仰一下廣義相對論的引力場方程:
這個方程左邊表示的是時空彎曲的情況,右邊表達物質及其運動。
用一句比較詩意優雅的話來說就是:物質告訴時空怎麼彎曲,時空告訴物質怎麼運動。
廣義相對論的通俗解釋就只能到這裡了,它的核心思想的就是:任何有質量的物體都會引起時空彎曲,然後物體在這個彎曲的時空里繼續做他們的「慣性運動」。
彎曲得太厲害以至於光掉進去都出不來了就是黑洞。
廣義相對論的提出是為了解釋宇宙,愛因斯坦提出廣義相對論的時候,他認為宇宙是靜止不動的,後來俄羅斯有個科學家亞歷山大洛維奇·弗里德曼(俄語:Александр Александрович Фридман,1888年6月16日-1925年9月16日)
發現宇宙不是靜止的,愛因斯坦也承認自己的錯誤,後來愛德溫·鮑威爾·哈伯(英語:Edwin Powell Hubble,1889年11月20日-1953年9月28日)觀測宇宙的星球
有紅移的現象,說明其他星球正在遠離我們,而且越遠的星球跑的越快。
這就是哈勃定律 。
下一集要講侖琴是怎麼發現X射線的
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