从剑桥留学生到物理学之神

第55章 一章教你搞懂狭义相对论

假设一个人A在草地上快速奔跑(速度大),然后打开手电筒;接着又缓慢行走(速度小),再次打开手电筒。

这两个过程在另一个人B观察来看,手电筒的光速居然是一样的,都是c,这就很奇怪。

因为如果把手电筒换成木棍,这两种情况下把木棍投出去,则B观察到的木棍飞行速度肯定不一样。

根据牛顿的惯性定律和直觉,人在助跑后,木棍能投的更远(假设投掷的力一样)。

问题来了,为什么惯性对木棍起作用,对光就不起作用呢?

后世的我们知道,第一因为光没有静止质量,所以也就没有惯性;第二光是瞬间激发的,打开手电筒之前,光并不存在。

光在产生出来的一瞬间,就和光源没有关系了,不仅人A的速度不影响光速,就连地球的公转速度也不影响光速。

这一点现在应该可以很好理解了吧。

难的是第二点,光速与观察者的速度无关。

假设现在没有B这个观察者了,而是A拿着手电筒匀速奔跑,自己观察光速。

在打开手电筒的瞬间,A有三种选择,第一继续向前奔跑,第二静止不动,第三掉头往回跑。

结果在这三种情况下,A观察到的光速全是一样的,都等于c。

这又是非常反直觉的现象。

因为光既然有一个具体的速度,那么顺着光跑,应该会观察到光速变慢;逆着光跑,则会观察到光速变快。

可现实却不是这样,为什么牛顿力学的速度叠加不再起作用呢?

这就涉及到时空的本质以及时空转换了,也是狭义相对论最最最难理解的点。

当时的普通人和物理学家在这一点上的认知几乎是相同的。

那就是在牛顿体系下,时间和空间是绝对的。测量时间的长短和测量空间的大小是绝对的,只有速度是相对的。

但是狭义相对论却指出,时间和空间是相对的,速度才是绝对的。测量时间和空间需要参考系,测量速度却不需要,速度是一个常量(不仅仅指光速)。

后面的钟慢效应、尺缩效应、以及质能方程都是基于这种时空观下的理论推导。

只要完成了这一时空观念的转变,打破经典力学的绝对时空观念,就能理解狭义相对论了。

至于如何理解空间和时间的相对性,那就是另一个复杂的问题,这里不便展开。

现在再回到第二点,为何速度不能叠加,通俗地理解,以不同速度运动的物体各自有自己的时间和空间。

所以此刻A所处的时空和光所处的时空已经不是同一个时空了,牛顿定律自然就失效了。

注意!这种情况下,哪怕是把光换成木棍,其实也不能叠加。

之所以后世初高中学习时,可以直接叠加,是因为在低速情况下,算出来的误差很小。

根据洛伦兹因子计算,当物体速度大于0.14倍光速时,相对论效应才大于1%。

所以在日常活动中,使用牛顿力学的近似计算也没什么问题。

至于光速为什么会是这个值,谁也不知道,只能把它当成宇宙真理,造物主故意设置等等。

李奇维想到这里,不由自主地一笑,狭义相对论果然过于逆天,难怪发表后得不到理解和认可。

一旁的威尔逊看到他无故发笑,便问道:“布鲁斯,你又有什么好想法了,要不和我讨论讨论?”

李奇维回过神,笑道:“哦,我在幻想,我获得今年诺贝尔物理学奖后发表的演讲呢。”

老威很生气,快速远离了装逼犯。

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