第7章 相對(duì)論物理學(xué)
7.1 重論時(shí)空
相對(duì)論是研究物體運(yùn)動(dòng)的科學(xué)理論温治，為了更好的描述運(yùn)動(dòng)罢浇，我們將重新探索時(shí)空的本質(zhì)负拟。在這里哨苛，我們討論的不再是哲學(xué)意義上的時(shí)間和空間鸽凶，而是物理學(xué)意義上的時(shí)空。一張地圖能否為我們指示正確的方向，不在于地圖上每一個(gè)點(diǎn)的絕對(duì)大小是否合理筛圆，而在于地圖上各個(gè)點(diǎn)之間的相對(duì)位置是否準(zhǔn)確阵子。同理，我們能否正確認(rèn)識(shí)時(shí)空凑兰，也不在于我們能否通過自然語言表述時(shí)空的定義，而在于我們能否通過時(shí)空的物理測(cè)量手段边锁，厘清時(shí)間姑食、空間和運(yùn)動(dòng)之間的相互關(guān)系。
按照經(jīng)典力學(xué)茅坛，速度被定義為運(yùn)動(dòng)物體在單位時(shí)間內(nèi)通過的空間距離音半。然而，狹義相對(duì)論卻告訴我們贡蓖，當(dāng)物體高速運(yùn)動(dòng)后：時(shí)間變慢了曹鸠，空間壓縮了，唯有光速卻始終保持不變斥铺。為何上帝如此偏愛光速彻桃？相對(duì)論最不可理解的問題恰在于此！按照速度的定義晾蜘，它只是空間和時(shí)間的比值邻眷，只是時(shí)空概念的衍生物，所以自然應(yīng)該先有時(shí)間和空間的概念剔交，才能產(chǎn)生速度的概念肆饶。然而且慢，如果我們仔細(xì)探究一下時(shí)間和空間的測(cè)量方式就會(huì)發(fā)現(xiàn)：三者的關(guān)系將要發(fā)生一系列微妙的變化岖常。
我們不用解釋什么是時(shí)間驯镊，因?yàn)闀r(shí)間理應(yīng)是一個(gè)不釋自明的概念。但請(qǐng)嘗試思考如下問題：什么叫1秒腥椒？在過去阿宅，秒的定義是一個(gè)小時(shí)的1/3600，而一個(gè)小時(shí)是地球自轉(zhuǎn)一周所用時(shí)間的1/24笼蛛。不過洒放，現(xiàn)在秒的概念有了全新的定義，它是銫133原子能級(jí)躍遷周期的9192631770倍滨砍。毫無疑問往湿，秒的定義之所以會(huì)發(fā)生改變妖异，是因?yàn)楹笳叩亩x方式更加精確。但無論是新定義领追，還是原有的定義他膳，時(shí)間的定義都是某種周期性運(yùn)動(dòng)的倍數(shù)。
當(dāng)我們說汽車?yán)@城走一圈需要4個(gè)小時(shí)的時(shí)候绒窑，實(shí)際上是在說在汽車?yán)@城一周的過程中棕孙，地球自轉(zhuǎn)了4÷24周；或者說在汽車?yán)@城一周的過程中些膨，銫原子能級(jí)躍遷發(fā)生了4×3600×9192631770次蟀俊。
顯然，如果我們不通過運(yùn)動(dòng)速度來定義時(shí)間订雾，時(shí)間就失去了意義肢预。從這個(gè)意義上講，速度不再是時(shí)間和空間這兩個(gè)概念的兒子洼哎，反倒成了時(shí)間這一概念的母親烫映。即使我們不用周期性運(yùn)動(dòng)作為標(biāo)準(zhǔn)，也需要以另一種運(yùn)動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)噩峦，但是如果這種運(yùn)動(dòng)沒有循環(huán)往復(fù)的周期性锭沟，我們何以知道相鄰的兩個(gè)時(shí)間段是相等的呢？假如我們采用了某種勻速直線運(yùn)動(dòng)為標(biāo)準(zhǔn)壕探，規(guī)定物體每經(jīng)過一定的空間距離就需要消耗1秒的時(shí)間冈钦。雖然原則上這樣處理沒有任何問題郊丛，但是李请，如果我們采用這樣的方式定義時(shí)間，就必須借助一定的空間長度作為時(shí)間定義的標(biāo)準(zhǔn)厉熟，而這又意味著時(shí)間概念成為了空間概念的兒子导盅。況且，在時(shí)空定義出現(xiàn)之前揍瑟，我們又何以知道這個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)一定是勻速直線的呢白翻？
通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)：雖然在哲學(xué)層面上，時(shí)間是一個(gè)像數(shù)軸一樣的基本概念绢片；但在物理層面上滤馍，它卻只能是一種運(yùn)動(dòng)和另一種運(yùn)動(dòng)的比值。當(dāng)時(shí)間作為一個(gè)基本概念出現(xiàn)時(shí)底循，你會(huì)覺得時(shí)間隨著運(yùn)動(dòng)速度的增加而變慢的說法是不可思議的巢株。但是當(dāng)你知道時(shí)間本身只是兩種運(yùn)動(dòng)速度的比值時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生這樣的感覺嗎熙涤？
接下來阁苞，我們?cè)儆懻摽臻g困檩，讓我們思考一個(gè)類似的問題：什么是1米？為什么地球的周長恰好是4萬千米呢那槽？原來悼沿，這與米的最初定義有關(guān)，米最初被定義為通過巴黎的子午線北極點(diǎn)到赤道長度的千萬分之一骚灸。從北極點(diǎn)到赤道的長度恰為地球周長的四分之一糟趾，因此，我們也可以認(rèn)為米最初被定義為地球周長的四千萬分之一甚牲，因此地球周長四萬千米不是偶然的拉讯，它是人為約定的結(jié)果。由于測(cè)量地球周長實(shí)在是太不方便了鳖藕，于是人們用一些合金制作了國際米原器魔慷，這曾是世界上最標(biāo)準(zhǔn)的米尺。
與時(shí)間的定義不同著恩，空間的定義最初和運(yùn)動(dòng)沒有任何關(guān)系院尔。無論是地球的周長還是國籍米原器，都可以抽象的看作一個(gè)形狀不變的固體喉誊。如果我們以這個(gè)固體的長度為標(biāo)準(zhǔn)邀摆，其他物體的長度與這個(gè)固體長度的比值就可以視作物體長度的數(shù)值。這樣看來伍茄，空間原本是一個(gè)與時(shí)間和速度無關(guān)的基本物理量栋盹。然而，由于光速不變已經(jīng)成為了科學(xué)界的共識(shí)敷矫，2019年例获，米的最新定義被修正為：光在真空中行進(jìn)1/299 792 458秒的距離。這個(gè)定義意味著曹仗，空間的概念成為了時(shí)間概念和光速概念下的子概念榨汤。什么原因使米的定義發(fā)生了改變？除了光速不變?cè)碇庠趺＃峙逻€與固體本身的性質(zhì)有關(guān)收壕，無論是地球的周長，還是國籍米原器的長度轨蛤，恐怕都不能永遠(yuǎn)保持不變蜜宪。
以國籍米原器為例，我們姑且不考慮風(fēng)化磨損這些外在因素祥山，僅僅固體熱脹冷縮的性質(zhì)就很難被完全忽略圃验。雖然我們可以人為規(guī)定，必須在室溫和一標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的環(huán)境下米原器的長度才是1米枪蘑。然而损谦，這不就意味著空間的定義必須依賴于溫度和壓強(qiáng)的定義嗎岖免？雖然溫度可以視作一個(gè)基本物理量，但是壓強(qiáng)卻不是一個(gè)獨(dú)立的物理概念照捡。壓強(qiáng)是壓力與面積的比值颅湘，而面積又是長度和寬度的乘積。我們?cè)诖_定長度的單位前栗精，即不知道什么是米闯参，又不知道什么是平方米，又怎么可能預(yù)先知道什么叫一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓呢悲立？從本質(zhì)上講鹿寨，放棄原有的空間長度定義的根本原因在于：固體長度不變這個(gè)假設(shè)并不成立！
今天我們都知道薪夕，絕大多數(shù)物體都有熱脹冷縮的性質(zhì)脚草，因此溫度對(duì)物體長度的影響同樣是不能忽略的。然而原献，一個(gè)有趣的問題在于馏慨，人類為什么會(huì)發(fā)現(xiàn)熱脹冷縮這一普遍規(guī)律呢？乍看上去這個(gè)問題似乎非常簡單姑隅，只要在溫度不同的條件下對(duì)同一物體的長度做出測(cè)量不就知道了嗎写隶？然而，如果你真去這么做了讲仰，結(jié)論一定會(huì)讓你大吃一驚慕趴。
假設(shè)我們用一把木尺分別在冬天和夏天測(cè)量同一根木棍的長度就會(huì)發(fā)現(xiàn)：木棍根本不存在熱脹冷縮的特性！為什么鄙陡？因?yàn)殡m然木棍的長度發(fā)生了變化冕房，但由于木尺也是使用同樣的材質(zhì)制作而成的，木尺以及木尺上的刻度都會(huì)與木棍發(fā)生等比例的縮放柔吼。因此毒费，我們?cè)谌魏螠囟认掠媚境邷y(cè)量木棍丙唧，都會(huì)發(fā)現(xiàn)木棍的長度保持不變愈魏。此時(shí)，如果我們用木尺去測(cè)量一根鋼管的長度想际，還會(huì)發(fā)現(xiàn)：鋼管的長度似乎會(huì)冷漲熱縮培漏。這是因?yàn)椋弘m然鋼管同樣發(fā)生了熱脹冷縮的效果，但是鋼管伸縮的比例很小胡本，而木尺伸縮的比例卻很大牌柄，因此通過木尺測(cè)量鋼管的結(jié)果就是，鋼管會(huì)熱縮冷漲侧甫。反過來珊佣，如果我們使用鋼尺測(cè)量鋼管蹋宦，也會(huì)發(fā)現(xiàn)鋼管的長度不會(huì)隨溫度變化而變化，木棍的長度則會(huì)熱脹冷縮咒锻±淙撸總之，無論用哪一種材質(zhì)做尺子惑艇，我們都不能準(zhǔn)確的得出所有固體都是熱漲冷縮這一規(guī)律蒿辙。
當(dāng)溫度增加時(shí)，如果包括尺子在內(nèi)的所有固體的尺度都增加了滨巴，我們還能以什么為標(biāo)準(zhǔn)來判斷呢思灌？當(dāng)然，具體的辦法還是有的恭取，我們可以通過隔熱或非接觸的方式來測(cè)量泰偿，只要在測(cè)量過程中始終保持尺子的溫度不變即可。但這一問題的關(guān)鍵并不在于我們有沒有辦法測(cè)量蜈垮，而在于我們是否會(huì)意識(shí)到熱脹冷縮這一問題的存在甜奄！由于這一變化并不明顯，所以很長時(shí)間內(nèi)不會(huì)有人注意到尺子的微妙變化窃款，就像有史以來很長的時(shí)間內(nèi)课兄，色盲的人群都不會(huì)發(fā)現(xiàn)自己色盲一樣。
通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)晨继，如果依靠固體形狀不變這一性質(zhì)來測(cè)量空間的尺度烟阐，不僅測(cè)量的結(jié)果是不準(zhǔn)確的，甚至通過這種測(cè)量發(fā)現(xiàn)的物理規(guī)律都是不可靠的紊扬。
盡管從表面上看來蜒茄，空間的測(cè)量似乎非常簡單，但實(shí)際上它卻比時(shí)間的測(cè)量困難的多餐屎，宇宙中各種物質(zhì)內(nèi)部存在大量周期性的運(yùn)動(dòng)檀葛，幾乎隨意選擇一個(gè)都可以用作時(shí)間的標(biāo)準(zhǔn)。然而腹缩，宇宙中卻沒有哪個(gè)物體或者組成哪種物質(zhì)的基本粒子的空間尺度是永遠(yuǎn)不變的：星系的尺度不是固定的屿聋，恒星行星的尺度也不是固定的，原子的尺度不是固定的藏鹊，甚至質(zhì)子润讥、中子、電子的尺度也是不固定的盘寡。從宏觀到微觀楚殿，只要有一個(gè)物體的尺度永恒不變，我們就可以以此為標(biāo)準(zhǔn)竿痰，用作空間的定義脆粥。
比如在我們常見的手機(jī)或電腦屏幕上砌溺，像素是組成每一塊屏幕的最小單位，像素大小不會(huì)因?yàn)槠聊簧巷@示的內(nèi)容不同而發(fā)生變化变隔，而且在任何一塊屏幕上抚吠，像素都呈矩陣狀均勻分布著，所以像素就可以成為衡量電子屏幕尺寸的基本單位弟胀。遺憾的是楷力，宇宙空間和電子屏幕完全不同，它不是由某一種基本微粒組成的孵户，更不會(huì)有屏幕上那樣均勻的矩陣格子萧朝。無論是在宏觀世界還是微觀世界里，我們都找不到任何一個(gè)尺度不變的物體夏哭！為什么所有物體都沒有固定的空間尺度呢检柬？答案只有一個(gè)：空間不是一個(gè)獨(dú)立的物理量，大小和形狀也不是物體的本質(zhì)特征竖配，它只是物體在運(yùn)動(dòng)變化的過程中表現(xiàn)出來的一種現(xiàn)象何址。
從宏觀的角度來講，一個(gè)恒星系的尺度大小主要取決于恒星的質(zhì)量和行星的動(dòng)能进胯，恒星的質(zhì)量越大用爪，對(duì)行星的引力就越大，星系的尺度就越行哺洹偎血；反過來，行星的動(dòng)能越大盯漂，其運(yùn)行的周長和半徑也就越大颇玷，星系的尺度就越大。從微觀角度來講就缆，一個(gè)原子的尺度主要取決于原子核的電荷數(shù)帖渠、核外電子數(shù)目以及核外電子的能量級(jí)數(shù)，電子越多竭宰，電子的能級(jí)越高空郊，原子總體的尺度就越大。那么羞延，我們?yōu)槭裁床恢苯又付骋环N原子在某個(gè)能級(jí)下的直徑作為長度的標(biāo)準(zhǔn)呢渣淳？因?yàn)榘凑樟孔恿W(xué)的解釋，電子在運(yùn)行時(shí)根本不存在確定的軌道伴箩，它只是按照一定的概率，隨機(jī)出現(xiàn)在原子核附近的某個(gè)范圍內(nèi)鄙漏，這就意味著任何原子都沒有一個(gè)確切的直徑嗤谚。同時(shí)棺蛛，由于測(cè)不準(zhǔn)原理的存在，比原子尺度更小的那些基本粒子巩步，我們也只能模模糊糊的測(cè)算出一個(gè)大致的空間范圍旁赊，而不能絕對(duì)精確的測(cè)出它們的具體大小。
通過上述分析不難發(fā)現(xiàn)椅野，所謂的空間尺度终畅，不過是質(zhì)量、能量竟闪、電量之間所形成的一種微妙的平衡關(guān)系离福。總體而言炼蛤，一個(gè)物體的質(zhì)量和電量是相對(duì)穩(wěn)定的妖爷，因此在一定條件下，物體內(nèi)所含的能量越高理朋，尺度就越大絮识，能量越低，尺度就越小嗽上，這也就是熱脹冷縮現(xiàn)象的本質(zhì)原因次舌。
有時(shí)候，我們對(duì)一個(gè)事物越是不了解兽愤，就越會(huì)用最簡單最直白的方式去理解它垃它，比如我們把晚霞想象成天女織就的綢緞，我們把銀河系現(xiàn)象為天上的河流烹看，我們把雷電想象為上天在發(fā)怒国拇。所有這些絕不僅僅是某一個(gè)古老民族的偏見，在幾千年的歷史長河中惯殊，類似的觀點(diǎn)幾乎成為了所有民族的共識(shí)酱吝。基于同樣的原因土思，牛頓把時(shí)間和空間想象成了與一切外物無關(guān)的穩(wěn)定的存在务热，時(shí)間如數(shù)學(xué)一般均勻流逝，空間如幾何圖形一樣穩(wěn)恒不變己儒。與那些古老的傳說類似崎岂，這樣的觀點(diǎn)也絕不是牛頓個(gè)人的見解，它只是說出了近代時(shí)期全人類的共同心聲闪湾。
今天冲甘，我們必須承認(rèn)，我們無法看到空間，我們也無法感知時(shí)間江醇，我們所能看到的只有具體的物體濒憋，我們所能確切感知的只有物體的運(yùn)動(dòng)，因此時(shí)空只能通過運(yùn)動(dòng)來定義陶夜，也必須通過運(yùn)動(dòng)來描述凛驮。于是，我們就從一切運(yùn)動(dòng)中找到了一種相對(duì)穩(wěn)定的速度光速条辟，并以此為標(biāo)準(zhǔn)開始了時(shí)空的測(cè)度黔夭。
