03.20 十分鐘內讓你理解相對論

理解相對論的途徑:光速不變——狹義相對論——等效原理——廣義相對論——時空彎曲。

一、光速不變。

假設一列火車以時速300公里往北跑,一輛汽車以時速150公里也往北跑,汽車裡的人會發現,火車的速度是每小時150公里。結論就是:物體運動的速度不僅取決於他自身的速度,也取決於觀察者的運動速度。

這個結論只適用於低速運動的物體(比如火車、比如地球的運動等),一旦速度加快到光速(每秒三十萬公里)或者接近光速,這個日常經驗就失效了,因為大量精確的實驗驗證了:光速是不變的。也就是說,光速是個固定值,是個常數,它不隨著觀察者的運動而改變。

再次舉例:假設一束光以每秒30萬公里往北運動,一艘宇宙飛船以每秒15萬公里也往北運動,宇宙飛船裡面的人會發現這束光多快呢?照我們的日常經驗來看,這束光的速度應該是每秒鐘15萬公里。錯!宇宙飛船裡面的人會發現,這束光的速度仍然是每秒鐘30萬公里。

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二、狹義相對論。

狹義相對論很短,只有幾頁。它要表達的意思更短,只有一句話:不管觀察者如何運動,被觀察的光速不變。從這句看似簡單的話可以得出一些非常奇妙的結論,這些結論嚴重違背了我們的日常經驗,但現在都被證明是正確的。

再次舉例:假設一束光以每秒30萬公里往北運動,一艘宇宙飛船以每秒15萬公里也往北運動,在地球上靜止不動的人看來,一秒鐘後,宇宙飛船距離那束光15萬公里。記住:是1秒鐘後!!!

但是,宇宙飛船裡面的人會感覺這段時間是多長呢?現在的已知條件是:宇宙飛船距離那束光15萬公里,光速是每秒鐘30萬公里。則:

15萬公里除以時間=30萬公里除以1秒鐘

則:時間等於0.5秒

也就是說,地球上的人過去了一秒鐘,以時速15萬公里運動的人會感覺時間只過去了半秒鐘。

結論:速度可以改變時間。你運動的越快,時間會過得越慢。當你以光速運動時,時間就會靜止。

再次舉例:博爾特以每秒10米參加百米賽跑,旁邊為他加油的人過去1秒鐘後,博爾特只感覺過去了三十萬分之299990秒,也就是0.99996667秒。百米賽跑結束後,博爾特比我們年輕了0.0003333秒。

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三、等效原理。

假設我們坐在一艘船裡,當船勻速行駛的時候,我們不會感覺到船在動。同理,地球以每秒30公里繞太陽公轉,並且以每秒500米自轉,我們也感覺不到地球在動。

現在假設我們在一部電梯裡頭,當電梯均勻加速往上走的時候,我們也不會感覺到電梯在動,我們只會感覺到有一股力在把我們往下拉,就像地球的質量把我們固定在地表不讓我們脫離地球那樣。

愛因斯坦由此推斷,速度和質量等效,它們在拉慢時間方面起的作用是一樣的。(當然,這方面有個很經典的邏輯推理過程,我就不詳述了)

結論:不僅速度可以改變時空,質量也可以改變時空。

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四、廣義相對論。

質量可以改變時空,把時空拉彎;而且質量越大,時空被拉彎得越厲害。就像速度越快,時間流逝得越慢那樣。比如太陽就拉彎了時空,這很像我們在床上放了一個鉛球,從而把海綿墊子壓出一個坑那樣。

愛因斯坦由此得出大膽的結論:引力並不是一種力,實際上它根本就不存在。我們平時看到的地球和行星繞太陽運動的現象,並不是太陽在吸引著它們轉動,而是太陽拉彎了時空,地球和行星不得不沿著彎曲的時空轉動。

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五、彎曲的時空。

廣義相對論有些結論照樣超出了我們的日常經驗,但後來被一一證實是正確的。

1、恆星的光線經過太陽時,因為太陽拉彎了時空,恆星的光線應該有一個折角,應該向內彎曲。這個效應很難觀察到,因為我們只有望向太陽時,才會捕捉到那束恆星射過來的光。但太陽光那麼強烈,一定會把那束光掩蓋住。不過,發生日全食的時候,太陽光會被遮住,正好可以讓我們驗證。事實證明,愛因斯坦是正確的。

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2、引力波。

兩個大質量的天體(比如黑洞)互相碰撞的時候,分別被它們拉彎的時空也會碰撞,從而會形成時空漣漪,逐漸向四周擴散。這就像兩粒石子投進平靜的水面,形成了兩個不斷擴散的水波,它們碰撞後的漣漪也會向四周擴散那樣。幸運的是,2017年我們的科學家捕捉到了這些時空漣漪。

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3、導航衛星繞地球轉動時,衛星上攜帶的時鐘比地面上的時鐘快。

人造衛星運動速度很快(線速度比地面物體大),時間應該會比地面慢7微秒;但是人造衛星所處的軌道受到的引力又比地面小,所以時間應該比地面快45微秒。兩種效應同時存在,相互抵消,因此衛星比地面上的時鐘快38微秒。

更多推論不再一一列舉。


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