第55章 一章教你搞懂狹義相對論

  第55章 一章教你搞懂狹義相對論

  卡文迪許實驗室，師徒四人終於從興奮中平靜下來。

  湯姆遜接回信件，中氣十足地說道：「在座的各位，都有機會沖一衝這個獎項。」

  「哪怕第一屆不能入選，後面幾屆依然有很大的機會。」

  「比如盧瑟福，你的結果今年才發表，估計委員會就是想提名，也來不及了。」盧瑟福點點頭，不是很在意，反正他也沒準備在第一屆里廝殺。

  「布魯斯，你就不好說了，我個人非常看好你的成就，但伱畢竟太過年輕，那些物理宿老們可能會有偏見。」李奇維也知道的自己短板，不過他沒有放棄。

  「至於威爾遜，你也不要氣餒，等你的雲室設計成熟後，也必然是諾獎級別的成果。」

  「也許十幾年後，我們卡文迪許實驗室會有四個諾貝爾物理學獎獲得者。」

  湯姆遜意氣風發，三人都被他的自信所感染，房間內充滿爽朗的笑聲。

  只有李奇維知道，實驗室的輝煌可遠不止於此。

  

  而他自己也不能停下腳步，那就暫定一個小目標：狹義相對論。

  如果說量子論是否定了牛頓的「連續」時空觀，物理學家們在直覺上還能接受。

  畢竟在宏觀世界，牛頓力學定律依然起支配作用，量子論與牛頓力學只是對物質的研究尺度不同。

  那麼狹義相對論則是否定了牛頓的「絕對」時空觀，物理學家們無論如何也接受不了。

  狹義相對論是徹底顛覆了牛頓經典力學，甚至可以直接說，牛頓力學就是錯的。

  所以當愛因斯坦在1905年第一次提出狹義相對論後，當時的物理學界沒人認可，一方面是牛頓的權威，另一方面則是這個理論太大膽。

  與廣義相對論那複雜到極致的數學變換相比，狹義相對論其實沒有多少高深的數學知識。

  這個理論的難點，其實在於人們對於時空觀念的轉變，需要反直覺，拋棄從小到大的固有思維。

  狹義相對論有兩條基本原理（公理，不證自明）：狹義相對性原理和光速不變原理。

  狹義相對性原理：在一切慣性參考系（靜止或直線運動的參考系）中，所有物理定律都是等價的。

  光速不變原理：在一切慣性參考系中，光在真空中的速度c永遠不變。

  對於第一個原理，很好理解，因為這完全符合人類的直覺。

  其實早在1632年，伽利略就提出了這個原理：相對於慣性系做勻速直線運動的任一慣性系，力學規律是相同的。

  比如雖然地球在宇宙中不停地運動，但是不管它的速度是多少，我們在上面做實驗都沒有任何差別。

  不管你是在南極做實驗和還是在北極做實驗，得出的物理規律一定是相同的。

  至於第二個原理，則是理解狹義相對論最大的攔路虎。

  首先我們要明白，光速不變原理不是愛因斯坦假設的，而是通過理論和實驗測出來的，是真實的自然現象。

  當年麥克斯韋橫空出世，他的電磁方程組，得出的結果竟然發現光速c是一個恆定值，約30萬公里/每秒。

  後來又有很多物理學家，做了各種各樣的實驗，最後都發現光速c確實是一個常數，實驗和理論吻合。

  雖然麥克斯韋當初推導光速時，是基於空間中存在「以太」這個特殊參考系。

  但不幸的是，後來的結果證明了以太不存在，這就是第一朵烏雲的本質。

  同時也是這個時代，困擾無數物理學家的最大障礙，沒有人能理解光速c不變。

  其實，如果想要理解光速不變原理，需要從兩個角度去考慮。

  第一，光速與光源的速度無關。

  假設一個人A在草地上快速奔跑（速度大），然後打開手電筒；接著又緩慢行走（速度小），再次打開手電筒。

  這兩個過程在另一個人B觀察來看，手電筒的光速居然是一樣的，都是c，這就很奇怪。

  因為如果把手電筒換成木棍，這兩種情況下把木棍投出去，則B觀察到的木棍飛行速度肯定不一樣。

  根據牛頓的慣性定律和直覺，人在助跑後，木棍能投的更遠（假設投擲的力一樣）。

  問題來了，為什麼慣性對木棍起作用，對光就不起作用呢？

  後世的我們知道，第一因為光沒有靜止質量，所以也就沒有慣性；第二光是瞬間激發的，打開手電筒之前，光並不存在。

  光在產生出來的一瞬間，就和光源沒有關係了，不僅人A的速度不影響光速，就連地球的公轉速度也不影響光速。

  這一點現在應該可以很好理解了吧。

  難的是第二點，光速與觀察者的速度無關。

  假設現在沒有B這個觀察者了，而是A拿著手電筒勻速奔跑，自己觀察光速。

  在打開手電筒的瞬間，A有三種選擇，第一繼續向前奔跑，第二靜止不動，第三掉頭往回跑。

  結果在這三種情況下，A觀察到的光速全是一樣的，都等於c。

  這又是非常反直覺的現象。

  因為光既然有一個具體的速度，那麼順著光跑，應該會觀察到光速變慢；逆著光跑，則會觀察到光速變快。

  可現實卻不是這樣，為什麼牛頓力學的速度迭加不再起作用呢？

  這就涉及到時空的本質以及時空轉換了，也是狹義相對論最最最難理解的點。

  當時的普通人和物理學家在這一點上的認知幾乎是相同的。

  那就是在牛頓體系下，時間和空間是絕對的。測量時間的長短和測量空間的大小是絕對的，只有速度是相對的。

  但是狹義相對論卻指出，時間和空間是相對的，速度才是絕對的。測量時間和空間需要參考系，測量速度卻不需要，速度是一個常量（不僅僅指光速）。

  後面的鐘慢效應、尺縮效應、以及質能方程都是基於這種時空觀下的理論推導。

  只要完成了這一時空觀念的轉變，打破經典力學的絕對時空觀念，就能理解狹義相對論了。

  至於如何理解空間和時間的相對性，那就是另一個複雜的問題，這裡不便展開。

  現在再回到第二點，為何速度不能迭加，通俗地理解，以不同速度運動的物體各自有自己的時間和空間。

  所以此刻A所處的時空和光所處的時空已經不是同一個時空了，牛頓定律自然就失效了。

  注意！這種情況下，哪怕是把光換成木棍，其實也不能迭加。

  之所以後世初高中學習時，可以直接迭加，是因為在低速情況下，算出來的誤差很小。

  根據洛倫茲因子計算，當物體速度大於0.14倍光速時，相對論效應才大於1%。

  所以在日常活動中，使用牛頓力學的近似計算也沒什麼問題。

  至於光速為什麼會是這個值，誰也不知道，只能把它當成宇宙真理，造物主故意設置等等。

  李奇維想到這裡，不由自主地一笑，狹義相對論果然過於逆天，難怪發表後得不到理解和認可。

  一旁的威爾遜看到他無故發笑，便問道：「布魯斯，你又有什麼好想法了，要不和我討論討論？」

  李奇維回過神，笑道：「哦，我在幻想，我獲得今年諾貝爾物理學獎後發表的演講呢。」

  老威很生氣，快速遠離了裝逼犯。

  狹義相對論是一個大劇情，後面的學術爭論會很精彩刺激，所以老虛需要一些鋪墊，說明爭論的核心點是什麼，方便讀者理解。當然我知道書友們都是人均博士起步，但為了劇情完整，我覺得還是要寫的。

  最後，求收藏求追讀，大家在評論區罵那麼狠，最起碼給點票票補償下吧。

  (本章完)