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爱因斯坦的《相对论》,原来是这样的基石!

网络 2023-01-09 05:02

爱因斯坦的《相对论》,一直只能用尊敬来形容,知道很厉害,就是不懂。只知道相对论和量子力学并称为现代物理学的两大基石。前几天在我们家后山的仙岳书院,居然看到一本爱因斯坦本人写的相对论入门书籍,而且巧的事,居然是我的母校出版社出版的,于是决定借来看一看。

图片发自简书App

科学史上有两个奇迹年,分别是1666年和1905年,对应两个科学牛人。1666年,牛顿在23岁的时候为了躲避瘟疫,回到英国乡下,几乎就在这一年,牛顿做出了巨大的成就,为光学、数学、力学打下了基础。1905年,年仅26岁的爱因斯坦是一个在苏黎世专利局工作的小职员,但是就在这一年,爱因斯坦发表了6篇论文,关于分子、原子、光电效应等,也包括众所周知的狭义相对论。后来时隔11年,爱因斯坦在1916年正式发表了广义相对论。

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想起一个段子,爱因斯坦给别人解释相对论,说“当你和一位美女坐在一起时,感觉时间过得飞快;当你和一位老太婆坐在一起是,感觉时间过得很慢”。虽然这本书只是《相对论》的入门科普读本,不过看起来还真是艰涩难懂。从欧几米得几何学的点线面开始,一点点娓娓道来,构建一套新的解释世界的理论体系。科学是一颗大树,枝繁叶茂,自成体系,爱因斯坦也是在无数前人的基础上得到相对论这颗硕果的。文中提到了大量的前人,包括前人的实验、理论、公式。也不得不叹服,数学真是美妙,用一些简单的公式,就可以解释这么复杂的世界,可以说数学不是一门单独的学科,但是数学水平的高低,直接决定了其它学科上的成就。

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【狭义相对论】

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光速是一个恒定的常量(3*10^8m/s),所有物体的速度不能超过光速。

1、一个物体的时间不是恒定的,速度越快,它的时间越慢。之所以我们平时感觉不出来,是因为速度不够快,这个时间变慢的效应很不明显。一个实际的应用是,我们全球用的GPS卫星给我们提供了精准的时间,这些卫星在高速的绕地球飞行,飞得快,时间就变慢了,它需要根据爱因斯坦的相对论不断的矫正自己的时间。前几年很火的一部电影《星际穿越》,里面的老爹飞跃星际,在黑洞里面寻找奥秘,最后回来的时候,老爹还是那个老爹,她的女儿却已经变成一个老太太。

2、一个物体的空间不是恒定的,速度越快,它的长度就越短(延运动的方向)。我记得小时候看过一本书,里面画了一张图,假设一个人骑着自行车以接近光速的速度在路上骑着,这个人在沿着骑行道路的方向上,空间就变短,也就是说这个人看起来变得更瘦了。

3、相对论把质量守恒定律和能量守恒定律合二为一,经典的公式E=mc^2,。以前一直纳闷这个公式怎么来的,甚至怀疑是不是拍脑袋想出来的。其实不然,这个公式是在前人科学家的研究基础之上逐步推导出来的,甚是美妙,让人叹服。

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【广义相对论】

狭义相对论,讨论的是静止或者匀速直线运动下的情况;广义相对论,讨论的是加速运动下的情况。

牛顿的万有引力定律:两个物体之间的引力,与它们质量的乘积成正比,与距离的平方成反比。

广义相对论,简单理解就是,宇宙空间中的物体在它周围会造成一个空间的扭曲,质量越大,空间扭曲越厉害。地球之所以绕着太阳转,并不是由于万有引力,而是太阳把周围的空间扭曲了,地球是沿着扭曲的空间做运动。好比一个弹簧床,一个很重的东西压在中间,床上东西都会朝中间滚动,这个力不是万有引力,而是空间扭曲的结果,往中间滚动的运动还是遵守基本的力和运动规律。

相对来讲,广义相对论比牛顿的万有引力,更能解释一些事情。如果万有引力与距离的平方成反比,那么如果一个行星受到一点外力,距离拉近了一点,那么万有引力就更强了,这样会打破平衡更有力的把双方拉近,距离越近力越强,力越强距离越拉近,直到行星坠入到恒星,反之亦然,有一个向外的力,会最终导致行星飞离恒星。而广义相对论认为没有万有引力,只是一个空间的扭曲,无论怎样受力,它都在这个扭曲的空间里面按照现有的规律运动。

通过推导,光线在加速运动参照系或者“引力场”中是延曲线传播的,并且计算出光线在经过太阳的曲率是1.7角秒,后来英国科学家在一次日全食中验证了爱因斯坦的这个推论。

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【宇宙】

有限无界。好比一个球面的二维世界,这个二维世界里面的生物只能生活在这个球面上,他们对整个世界的观察只能在这个球面上,这个二维世界的生物会发现他们的世界是有限的,但是它没有边界。然后顺着推导到三维世界,我们的三维世界(空间)也是一个有限但是没有边界的宇宙。而如今,科学家认为整个宇宙是十一维的。

书中提到了很多“实验”,但是这个实验都是在头脑中完成,完全没办法在现实中去做实验,但是正是这样的理论实验,帮助爱因斯坦推导出相对论的结论,也帮助我们理解这套理论。他老人家的脑子真好使!是不是因为这样,我们就称之为“理论”物理学家。

人类社会不断进步,解释世界的能力越来越强,后人在前人的基础之上更接近真理,并不是说前人的理论不正确,而是说后人比前人解释的尺度更大、更广。

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