【探索】漫談光錐之內(nèi)是命運的狹義相對論

嫦娥五號擇機(jī)返回地球老家已成為板上釘釘?shù)氖虑椋慌c此同時,九章量子計算機(jī)的面世也將人類對宇宙法則的認(rèn)識推向了一個新的高度』浚縱觀人類近百年來的外太空"歷險"史與科學(xué)突破史,一個又一個當(dāng)時被視為不可能的理論逊谋,最終都慢慢成為了現(xiàn)實擂达。

超前的理論總是比實驗更早出現(xiàn)在科學(xué)界。因為理論源于思想家們對宇宙法則的推理,同時論證于嚴(yán)密的數(shù)學(xué)甚至哲學(xué)邏輯板鬓。

在很多超前的理論里面悲敷,有個玄乎其玄的理論,就是我們的愛因斯坦?fàn)敔斕岢龅莫M義相對論俭令。

很多人都聽過"狹義相對論"這五個字后德,但鮮有人知道到底什么是"狹義相對論"。

說起這個抄腔,還得提一下那個被紅蘋果砸"壞了"腦袋的大帥哥——牛頓瓢湃。就是他,因為研究蘋果為什么落地上赫蛇,而不是飛天上绵患,最后為物理學(xué)界貢獻(xiàn)了著名的"牛三律(牛頓三定律)"。

牛三律統(tǒng)治了科學(xué)界數(shù)百年悟耘,其奠定的經(jīng)典力學(xué)模型完美解釋了小到發(fā)動機(jī)落蝙,大到恒星行星等地外天體的運行規(guī)律,可謂窺探到了"上帝"的小秘密暂幼。

然而后來筏勒,一位叫法拉第的小哥哥玩磁鐵的時候發(fā)現(xiàn):當(dāng)磁鐵穿過金屬線圈的時候,線圈表面會有電子流動旺嬉。這一發(fā)現(xiàn)管行,將人類從蒸汽時代帶入了電子時代。

電的出現(xiàn)邪媳,也引發(fā)了整個科學(xué)界對微觀粒子界的探索捐顷。久而久之,通過洛倫茲等一眾大佬的反復(fù)實驗悲酷,發(fā)現(xiàn)了"上帝"的另一個秘密——光速不變性套菜。即亲善,光的速度在任何情況下都是一樣的设易,不會受到任何介質(zhì)的影響。比如:空氣中的光速和水中的光速是一樣的蛹头,不會因為水的阻力而變慢顿肺。

這么一搞,牛頓大帥哥的牛三律就受到了挑戰(zhàn)渣蜗。

因為牛三律說了:物體在不受任何外力的情況下屠尊,總保持靜止或勻速運動狀態(tài)。但如果受到了恒定外力作用耕拷,則會在若干外力的合力方向上做勻加速運動讼昆。也就是說,力會影響物體的速度骚烧。

光浸赫,也是一個物體闰围。當(dāng)穿過水和空氣的時候,如果按照牛三律既峡。因為水的阻力更大羡榴,所以光在水中的速度應(yīng)該比在空氣中更慢才對。然而运敢,事實并非如此校仑。

這時候,科學(xué)界第一次發(fā)現(xiàn)了以光為首的微觀粒子貌似并不會遵守牛三律传惠。

帶著這個問題迄沫,天天全球四處出差演講的愛因斯坦?fàn)敔斁驮诎倜χ虚_始了他的思考。并用建立理想模型的方式發(fā)明了一個叫做"光鐘"的計時器涉枫。

可以從下圖看出邢滑,光鐘就是一個小瓶子,里面放了一個小球愿汰。小球每秒都會在瓶子中上下往返一次困后。在飛船上的人看到小球移動的路徑是上下兩條直線。但在外面的人看到的就是兩條更長一點的折線衬廷。結(jié)果導(dǎo)致了相同的時間摇予,對兩個不同的觀察者來說,完全不相同吗跋。

光鐘不太好理解侧戴。我們換個例子:

如果一個路人甲乘坐一輛超低速列車在鐵道上遛彎,并在往車頭方向奔跑跌宛,路人乙站在地面上觀察酗宋。按照我們初中所學(xué)的相對運動原理,如果路人甲在車上的奔跑速度為5m/s疆拘,列車速度為10m/s蜕猫,那路人乙在地面上看到路人甲的速度應(yīng)該是10+5=15m/s。

也就是說哎迄,10s時間過去以后回右,路人甲認(rèn)為自己只跑了50米。

但加上車自己跑的100米漱挚,路人乙卻認(rèn)為路人甲已經(jīng)跑了150米翔烁。

這就引發(fā)了一個問題:路人甲和路人乙對10s的感受是不一樣的!

路人甲的10s只感覺自己毫不費力移動了50米旨涝;而在路人乙看來蹬屹,這10s路人甲以一個不可思議的高速狂奔了150米。

也就是說路人甲眼中的時間是正常的,而路人乙眼中的時間變快了慨默。

當(dāng)然愛因斯坦?fàn)敔斪畛醯陌姹静⒉皇巧厦孢@樣的秃踩,而是更加的嚴(yán)密理性,這里為了易懂业筏,進(jìn)行了一些加工憔杨。

在這個模型的基礎(chǔ)上,愛因斯坦?fàn)敔斀?jīng)過夜以繼日的推導(dǎo)蒜胖,終于從理論角度證明了"時間"是相對的消别,并不是固定的,每個人的1秒都有可能是不一樣的台谢。之所以我們現(xiàn)在用一樣的時鐘寻狂,一樣的時區(qū),僅僅是為了方便管理日常生活而已朋沮。

如果將上例中的列車比作光蛇券,把路人甲比作一艘飛船,飛船乘坐光前進(jìn)樊拓,就形成了最初版本的"狹義相對論"原理——時間膨脹效應(yīng)纠亚。

還記得那個經(jīng)典的科幻電影《星際穿越》嗎?其中有一個鏡頭采用的就是愛因斯坦?fàn)敔敧M義相對論中的"時間膨脹效應(yīng)":在黑洞引力的約束下筋夏,整個星球處于時間膨脹狀態(tài)蒂胞,當(dāng)男主和女主著陸1小時并返回軌道飛船后,軌道飛船已經(jīng)在太空中飄過了25年的時間条篷,飛船中等待接應(yīng)的帥氣小哥哥也已經(jīng)變成了胡子花白的老爺爺骗随。

"狹義相對論"除了有時間膨脹效應(yīng),還包含很多其他研究結(jié)論赴叹。

比如"長度縮短效應(yīng)"鸿染,當(dāng)物體移動速度越來越快時,在外邊觀察它的人會看到它的長度也越來越短(現(xiàn)實生活中亦是如此乞巧,只不過速度尺度都太小涨椒,肉眼難以分辨出差距而已);

當(dāng)它移動速度達(dá)到光速時摊欠,它將變成1個沒有厚度的薄片丢烘;這個很好理解:它的頭部速度是光速柱宦,尾巴速度也是光速些椒,相同的時間后,頭和尾巴幾乎在同一個位置掸刊,長度可以忽略不計免糕,所以看到的就是一個薄片。

而如果它超越了光速,那它將徹底消失石窑。至于去了哪里牌芋,這個很難說(因為愛因斯坦?fàn)敔斠矝]研究出來,愛因斯坦?fàn)敔斦J(rèn)為光速是宇宙中的極限速度松逊!是個只能被接近躺屁,無法被超越的存在)!

"狹義相對論"出現(xiàn)以后经宏,愛因斯坦?fàn)敔數(shù)睦蠋煂ψ约簩W(xué)生的遠(yuǎn)見頗為贊嘆犀暑,然后利用該原理靈機(jī)一動,發(fā)明了一個至今依然很牛掰的在二維平面中描述四維時空的模型:光錐烁兰。

光錐闡述了宇宙中的一切事件都是隨時間推移耐亏,向四周擴(kuò)散的,隨著時間的增加沪斟,事件的影響范圍也變大广辰,把每個時間段內(nèi)的范圍疊在一起,最后就形成了一個錐形主之。

原點是事件的開始择吊,那時間增加的方向就是這個事件的未來,時間減小的方向就是這個事件過去槽奕。這個事件的起因和對未來造成的所有影響都在這個錐形對以內(nèi)干发。

舉個簡單地例子:離我們5光年(光傳播5年的距離)外的一個恒星爆炸了。因為距離太遠(yuǎn)史翘,所以該恒星爆炸以后我們并不能立即知道這個信息(在光錐之外)枉长,而5年以后,該恒星爆炸的光芒才終于傳到了地球琼讽,我們才知道它5年前已經(jīng)爆炸了(進(jìn)入光錐)必峰。

所以,我們目前觀測到的整個宇宙钻蹬,都是由無數(shù)個類似的光錐疊加而成的"虛幻"吼蚁,離我們越遠(yuǎn)的天體,我們觀測到的就是越早之前的它傳來的影子问欠,而不是現(xiàn)在的它肝匆。

因為光速無法超越,遙遠(yuǎn)的宇宙中可能正在爆發(fā)著什么顺献,未來必將影響到我們旗国,可是我們尚不知道,冥冥之中注整,某些將要發(fā)生的事情已經(jīng)注定能曾。所以科學(xué)界對于光錐一直流行著一句很理性又很無奈的諺語:"光錐之內(nèi)度硝,就是命運"

"狹義相對論"的出現(xiàn)對人類認(rèn)識世界的方式產(chǎn)生了十分重大的影響。也讓人類探索太空有了更多的信心寿冕。為人類的科學(xué)方向提供的新的航向蕊程。這主要表現(xiàn)在它創(chuàng)造性的想象力和實驗結(jié)論的準(zhǔn)確性上。

比如了解了時間膨脹效應(yīng)驼唱,人類就可以想辦法研究接近光速的飛船藻茂。那樣的話訪問距離光年計的外星球也不過是分分鐘的事情(至少不用擔(dān)心要在飛船里面冬眠幾百年)。

甚至人們研究太空航行的基本方式也會轉(zhuǎn)變玫恳,比如飛船的動力系統(tǒng)不再使用物理燃料(因為無法接近光速)捌治,而是用其他的基于如何接近光速這一目的的推動方式,比如現(xiàn)在部分科幻小說中提到的:空間扭曲(蟲洞)纽窟、暗物質(zhì)湮滅等肖油。

希望有生之年能感受一次時間膨脹,或者要求低一點臂港,看到一次關(guān)于時間膨脹全流程演示的小實驗森枪。我對科學(xué)家們大有信心,大家覺得呢审孽?

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