相对论⑤︱鱼缸里的爱因斯坦

一名男子给妻子打电话:“老婆,你开车慢点,刚才收音机里说了,高速上有一辆车逆行。”

妻子说:“何止一辆呢,我都看到好几百辆逆行的SB车辆了。”

爱因斯坦有点像这个二货老婆。当所有人都觉得应当遵守一个公认的规则时,他转换了一个角度,发现了一个全新的世界。

物理学家都在试图给光安置一个坐标系,把光速装进经典力学的筐里。当无论如何都无法解释光速的参照系时,他们集体陷入了迷茫。

这时,爱因斯坦站了出来。他说:你们总看着光不顺眼,有没有考虑过光的感受?

1|相对性原理

爱因斯坦提出相对论的论文题目叫做《论运动物体的电动力学》。在这篇论文中,爱因斯坦断言——

一切匀速直线运动或者静止的坐标系下,物理定律都是一样的。

这句话叫做“相对性原理”,它是相对论的两个基本前提之一。

什么意思呢?事实上,它是“伽利略相对论”的延伸。伽利略说,“力学”在一切匀速直线运动和静止的坐标系中没有分别。而爱因斯坦说,不光是力学,一切物理定律——包括电动力学——在匀速直线运动和静止的坐标系中也都没有分别。

光速不变

爱因斯坦的相对论和“加利略的相对论”比较,多了些什么呢?

你在静止或者匀速直线运动状态下,做一个力学实验,比如向上抛一个小球,它都会落回到地面,没有分别——这是伽利略的相对论。

你在静止或者匀速直线运动的状态下,做一个电动力学的实验,比如测试光速。爱因斯坦说了,一切匀速直线运动或者静止的坐标系下,物理定律都是一样的——这就是说,你做测试光速的电动力学实验,实验结果,也应当和静止状态下一样的。

那么你在匀速直线运动状态下测试出的光速,和静止状态下测试出的光速,也应该是一样的,都是c = 299,792,458 米/秒。

举个说人话的例子——

你的车停在停车场里,打开车灯。车灯发出的光,会以光速c向前方传播。

你把车开到路上,假设你的车足够快,达到(c-1)米/秒。这时,你打开车灯,会看到什么?第一个1秒,光只比你的车远1米,前面是一片黑暗;第二个1秒,光在你的车前面2米,前面是一片黑暗……

爱因斯坦说,No,不是这样的!即使你以只比光速慢1米的速度向前飞奔,你看到的光,还是以光速C向前传播。

光速不变,是爱因斯坦相对论的第二个基本前提。

怎么能这样呢?这不是明显的反常识吗?难道不同坐标系下的速度不应该叠加吗?难道我追着光走的时候,光速对于我来说,不应当是(C-我的速度)米/秒吗?

爱因斯坦说,不是。不是光有问题,是你的时空观有问题。

3鱼缸里的爱因斯坦

几年前,意大利蒙扎市议会提出一个议案:禁止把金鱼养在弯曲的鱼缸里。提案的负责人解释,因为金鱼会透过弯曲的鱼缸,看到歪曲的景色——这对金鱼来说是残酷的。

看到了吧,国外的议员似乎并不比咱们人大、政协的代表、委员更靠谱儿。

我们不谈议员和提案了,不妨思考一个场景:

假设这些鱼是有智慧的,其中一条根据自己对鱼缸外部世界的观察,提出了一套完备的“金鱼物理学”——

比如,一个人走到哪个位置会变胖,走到哪个位置变瘦,变化幅度是多少。一束光,早上从一扇窗照到鱼缸时,弯曲的弧度是多少;黄昏从另一扇窗照到鱼缸时,弯曲的弧度又是多少。

这些规律,经过其他金鱼的不断观测,完全正确,而且非常精准,于是被奉为解释世界的经典。

过了一段时间,出现了另一条金鱼。它经过观察和思考,得出结论:鱼缸外的人,并没有胖瘦的变化,光是延着直线传播的,并没有弯曲。经典的“金鱼物理学”只在鱼缸这个坐标系中适用。

其他的金鱼都惊讶得张大嘴巴,这个新理论实在太反常识、反直觉了,怎么可能呢!

你肯定想到了,这第二条金鱼,名字叫作爱因斯坦。

(万维钢《精英日课》笔记)

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