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這是一篇能看得懂的相對論

百億年前的大爆炸創造了這個無邊無際的宇宙。

46億年前我們美麗的家園—地球誕生了。這裡有有海洋和陸地;有山川和湖泊;有形形色色的動物動物和植物。

十億年前,兩個黑洞撞擊產生的能量漣漪在2015年傳到地球。

一百年前,愛因斯坦發表的廣義相對論在人類的思想產生的漣漪,依然在我們的心中。

在那個世紀之交的1900年,英國皇家研究所,開爾文勛爵向世界宣告「在我眼裡,我們已經了無比優美而又簡潔明晰的關於運動和力的理論……但我們卻看到,經典物理學這片藍天上有兩朵烏雲讓我們感到不安……」不到三十年的光景,這兩片烏雲分別孕育出了相對論和量子力學。

令人震撼的是,經過一百年,幾代科學家的實驗論證,大自然真的是在按照那些看似反常識、反直覺的結論分毫不差的運行著。本連載—相對論史話,請和我一起來重新思考一下以下的問題:

什麼是時間?

什麼是空間?

什麼是光?

什麼是力?

什麼是速度?

什麼是科學?

相對論是二十世紀物理學界最偉大的理論之一,它極大地改變了人類對宇宙和自然的「常識性」觀念,其中諸多結論即便是在今天也很難讓人理解--「同時的相對性」、「四維時空」、「時空彎曲」「等效性原理」等,所以使人們對其產生了很多誤解,甚至有人曲解其中的理論來做一些不好的事。大部分人認為相對論不過是一個不能實用的物理理論,是躺在紙面上的文字而已。

事實上沒有相對論的「尺縮公式」和「時間公式」,我們是無法使用GPS來幫助我們去一個陌生的地方的。在分析儀器領域,電子顯微鏡和醫學成像設備也需要通過修正「相對論效應」來獲得高解析度的成像。當然,相對論的應用還可舉出很多的例子,這裡就不做過多的贅述。

為什麼我要從相對論開始?

近代物理學的發展史中從不缺乏精彩的故事,伽利略和牛頓對亞里士多德的挑戰、光的「波派」和「粒派」之爭、開爾文勛爵口中的「兩朵烏雲」、愛因斯坦與玻爾之間在思想實驗的上的較量……這段時間可謂是百家爭鳴、群星璀璨。相對論的發展史是我們認識近代科學發展史的一把鑰匙,在敘述它的時候,幾乎涵蓋了近代物理學的重要發現和事件。而量子力學的發展過程,也是與相對論交織在一起的。

本連載將從伽利略開始,經牛頓到愛因斯坦及其後,來向大家講述相對論到底說了些什麼,也可以說是近代物理學、科學的發展簡史。

下面先來介紹一下相對論的幾個重要結論:

狹義相對論:

兩個基本原理原理:光速不變、物理規律不變

四個重要結論:

1.同時性的相對性:沒有絕對的同時。

2.尺縮效應:運動的物體在運動方向上的尺寸會比靜止時短。

3.時間膨脹:運動的坐標系相對於靜止的坐標系時間會變慢。

這貌似找到了減肥和永葆青春的方法了。但是一個可怕的結論馬上就會給你潑一盆冷水。

4.質能理論:運動的物體的質量會比靜止時要大。從這裡推出了著名的方程E=MC2(人們對這個公式的誤解及其大,日後我會詳細介紹。)

這貌似解釋了為什麼很多人越跑步越胖的這個不解之謎。

簡而言之,狹義相對論是一種新的「時空觀」—物體的運動速度會影響其質量、空間和時間。

索爾維會議

廣義相對論:

廣義相對論委婉的說是重新詮釋了「引力」是咋回事。耿直的表達就是,廣義相對論證明了牛頓他老人家的「引力」是不存在的。

幾個重要結論:

1.等效性原理

2.時空彎曲

3.引力波

今天呢,算是一個引子大概介紹了一下文章的一個大概的內容。然後,簡單的整理了一下相對論的幾個重要結論,如果有不全的、不對的希望老師的們在留言中指正。

關於相對論或許跟老師們的生活和工作沒有任何實際的意義,蘋果掉在地上,是被解釋為「萬有引力」,或者「時空彎曲」,對我們來說有差別嗎?

或許,因為有趣。

或許,因為下一代。

或許,只是想擴充一下知識。

最後引用愛因斯坦的一句話作為結束:The eternal mystery of the world is its comprehensibility.(這個世界最不可理解之處,是它竟然是可以理解的。)

下回會介紹幾個科學領域的重要概念,如奧卡姆剃刀原則、佯謬等。

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