爱因斯坦的相对论早已家喻户晓。也许你对相对论了解不多,但你一定听说过。
相对论中有一个很重要的思想:光速的极限。也就是说,光速是不可超越的,这是宇宙的速度极限(信息传递的速度极限)。
那么,光速为什么是宇宙速度的极限呢?光速为什么不能被超越?
肯定有很专业的书来解释,但通常会涉及到晦涩难懂的公式。在这里,尽量通俗地回答。
流行意味着必然会有不那么严谨的地方,请理解。
简单来说,无法超越的光速是实验发现的。
相对速度大家都能理解,上过小学的人都能理解。
最简单的情况,我们两个同时以5米每秒的速度向相反的方向跑,相对速度是10米每秒,这个大家都知道。
光速的不可超越性正是通过相对速度发现的。
具体来说就是这样。
众所周知,地球是不断旋转的。日出时,我们实际上是朝着太阳的方向移动。相反,地球在日落时不断远离太阳。
阳光一直照耀着。如果我们把阳光看作子弹,很容易得出以下结论。
日出时,随着地球向太阳移动,阳光“子弹”的速度会变快。相反,当地球在日落时远离太阳,太阳光的速度会变慢。
这个结果非常符合我们的日常生活认知。
一百多年前的20世纪初,确实有科学家做过这个实验,但结果完全出乎意料。
两次测量的太阳光的速度是完全一样的,这个速度就是光速!
这是什么意思?把这样的测量结果放到现实生活中,以我们一开始跑步的例子为例,是这样的:
你我逆向运行,速度为每秒5米。然后我们以同样的速度朝同一个方向跑。结果我们两个人的两对速度都是一样的。
你会有什么感觉?你会说“数学是体育老师教的吗?”
但事实摆在那里,对于太阳光来说确实如此,我们也不得不承认,虽然测量结果确实不可思议。
当时的科学家也坚决不承认这个结果(没有其他人会承认,毕竟根深蒂固的绝对时间空观念影响如此深远),他们认为实验过程肯定有问题,但反复测量结果还是一样。
科学家们甚至最终提出了一个“绝对参照系”来迎合离奇的实验结果。这个绝对的参照系就是“以太”。
但是后来发现,以太网的出现不仅没有解决实际问题,反而带来了更多的麻烦。
当时,一位鲜为人知的瑞士专利局员工发表了一篇论文。
论文指出,既然你已经发现光速无论如何测量都是不变的,为什么不直接假设光速是不变的,在任何参照系中都是不变的。
这位员工就是爱因斯坦。他用“奥卡姆剃刀”把以太“划”了一下,相对论开始交叉空。
光速不变意味着很多,不仅仅是“在任何参照系中光速不变”。这里有一个简单而流行的例子。
我打开手电筒。在我眼里,手电筒光的速度是c。
当我打开手电筒的时候,假设你同时在用光(手电筒的光)飞行,你的速度是光速的一半。
根据光速不变原理,你眼中的光速也就是光速c。
如果我看到光飞了2公里,很容易算出你飞了1公里。所以在我眼里,你看到的光子飞了多远?
因为在我眼里,你和光是同方向飞的,相对速度是1/2,当然在我眼里,你会看到光子飞了1公里。(注意我多次强调的“在我眼里”)
根据光速不变原理,2公里除以我的时间=1公里除以你的时间,两者都等于光速。
显然,为了让上面的等式成立,我的时间必须比你的快。也就是说你的时间对我来说越来越慢了!
这是时钟慢效应的通俗解释。不需要复杂的公式推导,也不需要高等数学。就像我开头说的,流行的东西通常不严谨。刚才我的推导过程不是很严谨,至于为什么要先留个悬念)
肯定会有人问这个问题。在我刚才举的例子中,为什么要多次强调“在我眼里”?主要原因是定义一个参照系。否则来回切换参照系会变得非常复杂,容易出错。很多人不懂相对论。很大一部分原因是不由自主地来回切换参照系,而他自己并不知道。
拿我刚才举的例子来说,“在我眼里”你会看到光子飞了1公里,但是根据光速不变的原理,“在你眼里”光飞了2公里,这并不矛盾,因为你和我是两个完全不同的参照系。
这里需要再次强调一下。为什么叫“相对论”?因为没有所谓的“绝对参照系”,每个参照系都是等价的,平等的。而且在每个惯性参照系中,所有物理定律都成立,每个参照系中测得的光速都是一样的。
说白了,在任何参照系中(广义相对论的推广把惯性参照系推广到所有参照系),任何物理规律和实验都能得到相同的结果。
就像刚才的例子,我用“我”作为参照系来分析。当然,你可以用“你”作为参照系来分析。没有问题,但结果还是一样。具体的分析过程就不详细描述了。有兴趣的朋友可以试试。
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