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看不懂爱因斯坦的相对论?其实你只缺一张卡片

最新奇迹私服网 进球后,利奥摆出双膝跪地滑行的庆祝动作,球队其他成员也加入其中,庆祝进球。


来源:凤凰网文化

爱因斯坦的相对论颠覆了人类关于时间和空间的认知。时间的流逝可以减缓,空间可以收缩,一个人的未来可以是另一个人的过去,光速是一个不可逾越的限制,时间是第四维度,两个人衰老的速度可以不同,等等。以上就是相对论带给我们的令人困惑的推论。

时间和空间的概念是如此的常见,以至于我们觉得它们的存在是“理所当然”的。但是相对论的理论在20世纪初完全颠覆了我们对这两个概念的传统认识:时间的流逝可能变慢,两个人衰老的速度可能不同,光速是一个无法超越的极限,过去、现在和未来的区分也只是一个“现实的幻象”,这些都是爱因斯坦在他的相对论中告诉我们的……

《会动的相对论》让我们用一种有趣的互动方式来破解这些令人费解的现象。本书的作者斯蒂芬·杜兰德,理论物理学家,在加拿大蒙特利尔大学数学研究中心从事教学和科研工作,曾获得蒙特利尔大学最佳物理教师奖。他从事的科学普及工作获得了欧洲数学学会和法国-加拿大科学促进协会的表彰。他还在加拿大广播主持一个周播的专栏。

这是一本神奇的相对论“互动书”。通过精心设计的图形,配合移动一张带有窄缝的卡片,读者可以用一种可视化的直观方式理解相对论的精髓——无论你是否知道它的原理,你也不必看懂它的方程。关于这个理论你过去不敢提的问题,现在终于有了解答!

精彩试读

第一章 时间的膨胀

在这一章我们将谈及相对论的第一个效应:“时间的膨胀”,它可以使两个人以不同的速度衰老。

爱因斯坦的相对论颠覆了人类关于时间和空间的认知。时间的流逝可以减缓,空间可以收缩,一个人的未来可以是另一个人的过去,光速是一个不可逾越的限制,时间是第四维度,两个人衰老的速度可以不同,等等。以上就是相对论带给我们的令人困惑的推论。之后我们会看到,在四维时空的框架下,我们可以理解这些相互紧密联系的推论。

在相对论带给我们的启示中,最颠覆三观的当然是两个人衰老速度的不同,以及去未来旅行的可能。我们来想象下面的故事。在2000年,一对双胞胎20岁,他们当中有一个人乘坐高速火箭去了外太空,他的旅行持续了一年。所以当他返回地球时,他21岁。然而让他惊奇的是,他留在地球上的双胞胎兄弟已经成了80 岁的老人。事实上,他所有的兄弟、姐妹、朋友都成了风烛残年的老人,因为他的旅行持续的时间,相当于地球上的60年:他是2060年返回地球的。可是他却只老了一岁。在他的旅行中,火箭里时间流逝的速度要远慢于地球上的速度。因此,这个旅行者用了一年的时间穿越到了60年后的未来。如果他以更快的速度旅行,他就能穿越好几个世纪。

这样的一个故事绝不只是幻想。可是,要实现这样的未来穿越,火箭需要以接近光速的速度行驶,而这是目前的科技无法做到的。但重点是这从原理上行得通。对于两个人而言,时间确实能以不同的速度流逝。其实,一旦一个人开始运动,他的时间就以和他人不同的速度流逝,只是这样的区别一定要在速度接近光速时才能得以体现。

光的速度是惊人的30万千米/秒。也就是说,1秒钟,光就可以跑完30万千米!以这样的速度,光可以在1/60秒内完成从加拿大蒙特利尔到法国巴黎的旅程。1秒之内,光可以绕地球7圈。这真是一个非比寻常的速度!事实上,这个速度太快了,在我们日常生活的每一天,光都是飞速传播的。举个例子,当我们点亮一盏灯,它的光线马上就能照在房间的四面墙上。当然会有延迟,可是由于这个延迟短了,所以我们完全感觉不到。注意,我们这里说的延迟不是指由于机器预热引起的延迟,而是指光线从灯泡运行到墙上的时间。一个更好的实验就是,你可以用手挡住手电筒的光线,然后突然把手拿开:光线好像马上就照到墙上了,但是确实有一个非常短的延时。

现在,人类最快的火箭的速度也只能达到光速的万分之一。这和我们的希望差距很大。那么我们怎么才能证实时间的变慢确实是一个真实的现象呢?要特别感谢粒子加速器。事实上,在这些巨大的机器里,我们可以成功地让基本粒子(质子,电子等)以接近光速的速度运动起来。于是我们可以很好地证实时间变慢的效应。 比如,一些粒子是不稳定的,也就是说它们在被创造出来后,就会迅速分裂,因此它们的“一生”非常短暂。然而当它们运动起来,和人类的时间相比,它们的时间就变慢了,它们的“寿命”也就延迟了很多。通过实验,人类发现运动粒子的寿命比它们不运动时长30倍。

这是一个具体的实验,向我们证明了时间的流逝确实可以变慢。相对论不只是假想的理论,而且是在实验室里被证实的理论,它真实描绘出大自然的法则。此外, 还有另一种方式可以证实时间变慢的现象。

正如我们所说,时间的变慢是存在的,虽然变慢的幅度很小。只是,时间变慢的幅度太小了,以至于人类无法察觉。比如,在“阿波罗”任务中,航天员进行了地球到月亮的往返旅行,因此他们变老的速度就比留在地球上的人们慢了,可是这样的区别可以被忽略一因为只慢了千分之一秒——然而这个区别确实是真实存在的。而我们日常生活中速度更慢的交通工具——飞机和汽车——它们造成的影响就更加微不足道了。比如当我们坐飞机去旅行,时间只变慢了一百万分之一秒。虽然这个时间减缓的量非常少,可是这个现象真实存在:人类已经通过一只非常精确的原子钟证实了这一点。人们把这只钟放在飞机上,在飞机返程的时候人们发现,它比留在地面上的钟慢了。也就是说,它比地面上的钟“年轻”!这就是关于相对论效应的另一个证明。

还有更精彩的!现在日常生活中还有一个关于时间变慢的应用:GPS定位系统。事实上,为了计算你的位置,GPS定位器会收到来自绕地卫星的信号。为了这个系统能够正常工作,人们必须考虑到一个事实,那就是卫星上时间的流逝和地球上的是不一样的。

因此时间的变慢是一个真实存在的效应,无论变慢的速度是多少,但是只有当时间变慢的速度接近光速的时候,才有可能被人类感知到。因此这个现象的显现取决于速度:速度越快,时间的变慢越明显。那么回到我们开始时讲到的故事,通过让火箭的速度提升或降低,人类跳入未来的距离或远或近。按照人类现有的火箭的速度,这样的跳跃可以忽略不计;但是如果火箭速度有很大提升,那么这个跳跃可以是几年、几十年甚至好几个世纪。

然而需要注意的是,火箭里的旅行者在旅途中是感受不到任何异样的,时间的流逝对他来说是完全正常的——之后我们会解释原因——但是当他回到地球上,他确确实实比自己的双胞胎兄弟年轻了。

既然从地球上看,这个旅行的时间要比火箭上经历的时间长,我们可以说,对于地球来说,时间膨胀了。这就是为什么我们会把这个现象称作“时间的膨胀”。

你很怀疑?时间的流逝对于两个人来说是不一样的,你觉得这个事实很荒谬? 可是,这就是严肃的事实。这就是科学最有魅力的地方:证实那些看上去很荒诞的想法在大自然中确实可以实现。时间是如何变慢的?这是我们在下面的章节中想要解释的。首先我们需要考虑的是,我们生活在一个四维的时空当中。

小贴士:

我们刚讲过的时间的膨胀,还有在之后的章节中我们会提到的效应,所有的相对论的效应都必须在速度接近光速时才能显现出来。既然我们日常生活中的物体达不到这个速度,那么相对论效应在曰常生活中也不明显。因此我们惯常的直觉不会发展到可以理解这些效应。这就是为什么我们觉得相对论效应奇怪甚至荒谬。但是值得指出的是,相对论的逻辑和我们曰常的逻辑是一样有效的只是和我们习惯的逻辑不同罢了。

[责任编辑:游海洪 PN135]

责任编辑:游海洪 PN135

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