《重讀相對(duì)論》7.1 相對(duì)論物理學(xué).重論時(shí)空

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。

?著作權(quán)歸作者所有,轉(zhuǎn)載或內(nèi)容合作請(qǐng)聯(lián)系作者
  • 序言:七十年代末,一起剝皮案震驚了整個(gè)濱河市羽嫡,隨后出現(xiàn)的幾起案子本姥,更是在濱河造成了極大的恐慌,老刑警劉巖厂僧,帶你破解...
    沈念sama閱讀 223,002評(píng)論 6 519
  • 序言:濱河連續(xù)發(fā)生了三起死亡事件扣草,死亡現(xiàn)場離奇詭異,居然都是意外死亡颜屠,警方通過查閱死者的電腦和手機(jī)辰妙,發(fā)現(xiàn)死者居然都...
    沈念sama閱讀 95,357評(píng)論 3 400
  • 文/潘曉璐 我一進(jìn)店門,熙熙樓的掌柜王于貴愁眉苦臉地迎上來甫窟,“玉大人密浑,你說我怎么就攤上這事〈志” “怎么了尔破?”我有些...
    開封第一講書人閱讀 169,787評(píng)論 0 365
  • 文/不壞的土叔 我叫張陵,是天一觀的道長浇衬。 經(jīng)常有香客問我懒构,道長,這世上最難降的妖魔是什么耘擂? 我笑而不...
    開封第一講書人閱讀 60,237評(píng)論 1 300
  • 正文 為了忘掉前任胆剧,我火速辦了婚禮,結(jié)果婚禮上醉冤,老公的妹妹穿的比我還像新娘秩霍。我一直安慰自己,他們只是感情好蚁阳,可當(dāng)我...
    茶點(diǎn)故事閱讀 69,237評(píng)論 6 398
  • 文/花漫 我一把揭開白布铃绒。 她就那樣靜靜地躺著,像睡著了一般螺捐。 火紅的嫁衣襯著肌膚如雪颠悬。 梳的紋絲不亂的頭發(fā)上矮燎,一...
    開封第一講書人閱讀 52,821評(píng)論 1 314
  • 那天,我揣著相機(jī)與錄音椿疗,去河邊找鬼漏峰。 笑死糠悼,一個(gè)胖子當(dāng)著我的面吹牛届榄,可吹牛的內(nèi)容都是我干的。 我是一名探鬼主播倔喂,決...
    沈念sama閱讀 41,236評(píng)論 3 424
  • 文/蒼蘭香墨 我猛地睜開眼铝条,長吁一口氣:“原來是場噩夢(mèng)啊……” “哼!你這毒婦竟也來了席噩?” 一聲冷哼從身側(cè)響起班缰,我...
    開封第一講書人閱讀 40,196評(píng)論 0 277
  • 序言:老撾萬榮一對(duì)情侶失蹤,失蹤者是張志新(化名)和其女友劉穎悼枢,沒想到半個(gè)月后埠忘,有當(dāng)?shù)厝嗽跇淞掷锇l(fā)現(xiàn)了一具尸體,經(jīng)...
    沈念sama閱讀 46,716評(píng)論 1 320
  • 正文 獨(dú)居荒郊野嶺守林人離奇死亡馒索,尸身上長有42處帶血的膿包…… 初始之章·張勛 以下內(nèi)容為張勛視角 年9月15日...
    茶點(diǎn)故事閱讀 38,794評(píng)論 3 343
  • 正文 我和宋清朗相戀三年莹妒,在試婚紗的時(shí)候發(fā)現(xiàn)自己被綠了。 大學(xué)時(shí)的朋友給我發(fā)了我未婚夫和他白月光在一起吃飯的照片绰上。...
    茶點(diǎn)故事閱讀 40,928評(píng)論 1 353
  • 序言:一個(gè)原本活蹦亂跳的男人離奇死亡旨怠,死狀恐怖,靈堂內(nèi)的尸體忽然破棺而出蜈块,到底是詐尸還是另有隱情鉴腻,我是刑警寧澤,帶...
    沈念sama閱讀 36,583評(píng)論 5 351
  • 正文 年R本政府宣布百揭,位于F島的核電站爽哎,受9級(jí)特大地震影響,放射性物質(zhì)發(fā)生泄漏器一。R本人自食惡果不足惜课锌,卻給世界環(huán)境...
    茶點(diǎn)故事閱讀 42,264評(píng)論 3 336
  • 文/蒙蒙 一、第九天 我趴在偏房一處隱蔽的房頂上張望盹舞。 院中可真熱鬧产镐,春花似錦、人聲如沸踢步。這莊子的主人今日做“春日...
    開封第一講書人閱讀 32,755評(píng)論 0 25
  • 文/蒼蘭香墨 我抬頭看了看天上的太陽获印。三九已至述雾,卻和暖如春,著一層夾襖步出監(jiān)牢的瞬間,已是汗流浹背玻孟。 一陣腳步聲響...
    開封第一講書人閱讀 33,869評(píng)論 1 274
  • 我被黑心中介騙來泰國打工唆缴, 沒想到剛下飛機(jī)就差點(diǎn)兒被人妖公主榨干…… 1. 我叫王不留,地道東北人黍翎。 一個(gè)月前我還...
    沈念sama閱讀 49,378評(píng)論 3 379
  • 正文 我出身青樓面徽,卻偏偏與公主長得像,于是被迫代替她去往敵國和親匣掸。 傳聞我的和親對(duì)象是個(gè)殘疾皇子趟紊,可洞房花燭夜當(dāng)晚...
    茶點(diǎn)故事閱讀 45,937評(píng)論 2 361

推薦閱讀更多精彩內(nèi)容