第31章關于相對論
相對論分為廣義相對論和狹義相對論。
關于狹義相對論,在牛頓的世界裡,時間和空間是絕對的,不變的和靜止的,物理學中稱之為絕對時空觀。因為這種觀點使得牛頓力學運用起來是那麼的得心應手,以至于長久以來統治着人類的大腦,讓牛頓的地位在科學界,特别是天文學界是那麼的不可撼動。
直到200多年後,一位在科學界可以與牛頓比肩而立的科學巨匠的橫空出世,才打破了這種觀念。可能大家都知道,我要說的這位科學怪人是誰。不錯,他就是赫赫有名的阿爾伯特·愛因斯坦!
愛因斯坦的成功來源于他16歲時的一次大開腦洞的幻想。他對自己說,要是我能和光一樣快速前進,與它并肩而行,我将會看見什麼樣的情景?
當時麥克斯韋已經給出了完美的電磁理論,認定光是一種電磁波,于是就産生一個矛盾。愛因斯坦認為,如果按照牛頓理論,我們總可能達到光速,與它一起前進,這是光在我們的眼裡應該就是一列列靜止的波動,愛因斯坦稱之為凍結的波;在别人看來,以光速前進的人也一樣和這列被追上的波一起前進。可是,根據麥克斯韋電磁理論,不管我們以多快的速度運動,光都将以同樣的速度離開我們。
在現實生活中,這是那難以想象的。就是說,在真空中,光是一個奇怪的東西的,無論你是站着不動,還是以很快的速度追趕他,還是以很快的速度離開它,它相對于你的速度都是30萬公裡每秒,毫無變化。這就是愛因斯坦所說的光速不變原理。
愛因斯坦認為,要解決光速悖論,唯有承認光速不變原理,而且這是一種特殊的不變!而光速不變原理就是相對論的基礎。
為什麼以前人們沒有發現光這一特殊的性質(實際上是一種假設)?原因就是牛頓絕對時空觀束縛了人們的想象力,而愛因斯坦是掙脫這種束縛,最終破繭成蝶的第一人。
在愛因斯坦的眼裡,時間和空間是難麼的不一樣。可以說,每一個物體就代表着一整套不同的時空,因為時空是受運動速度的影響的,這就是狹義相對論的精髓所在,隻是在低速運動狀态下,各運動物體之間的這種時空區别不是那麼明顯,甚至在現代觀測儀器中顯示不出這種微妙的區别。
科幻電影中的翹曲速度,超空間或其他技術,能讓飛船超光速飛行,然後進行星際旅行。但不幸的是物理學表明科幻電影不能成為科學事實。因為我們可能永遠也無法超過光速,關于為什麼不能超過光速,這可能對于有些人來說是個新鮮事。
愛因斯坦的狹義相對論與質能方程:為什麼光速無法超越?
如果你熟悉愛因斯坦的相對論,對于靜止不動的物體,你知道E=mc2,你就會理解這個方程或施加的限制。這裡我們先說個前提,物理學家們讨論的關系是指光在真空中的傳播速度,比如在外太空,這個速度簡稱為c,約為每秒30萬千米每秒。
愛因斯坦的狹義相對論與質能方程:為什麼光速無法超越?
為什麼不可能超越真空中的光速呢?這源于愛因斯坦的質能方程,這個方程表明質量和能量是等價的,這意味着物質的質量越大則其蘊含的能量就越大。最重要的是這意味着物質所含能量越大,它的質量也越大。因為運動也是一種能量,就是我們所說的動能。所以物質在運動時的質量要略大于相對靜止時的質量。
愛因斯坦的狹義相對論與質能方程:為什麼光速無法超越?
根據狹義相對論的質量公式,如果你以一百六十千米每小時的速度抛出的一個球,那它的質量會增加将近十萬分之2微克。顯然這個增加量很小,但通過方程我們可以看出,随着物體運動速度接近光速質量的增加将會變得巨大。如果一艘宇宙飛船以90%的光速飛行,那它此時的質量是相對靜止時2倍,這意味着以前必須加倍輸出,才能使飛船加速前進。
但飛船的速度越高,其能量也越高,質量也就會變得越大,從而需要更多的能量使飛船加速,同時飛船内的一切也變得越來越重。你想想一隻隻有14克左右的手表,當速度達到99.99%的光速時,我猜它會達到多重,大約是31噸。
好吧,這時候你的手會被拉斷,或者說你已經變成了一個大餅,通過方程給看出,如果一艘宇宙飛船到達光速,那麼它的質量是無窮大的,并且将需要無限多的能量來使他前進,顯然這是不可能的。這就是為什麼任何有靜止質量的東西都不可能達到光速。更不用說,超越光速。
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