《宇宙的琴弦》(1) 為什么宇宙萬物運(yùn)動(dòng)速度不可能超過光速笼蛛?

今天的內(nèi)容主要是闡述了愛因斯坦的狹義相對(duì)論,時(shí)間蛉鹿、空間以及光的的原理滨砍。由于內(nèi)容過于抽象,書中也列舉了大量的思想實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和說明,這里我篩選了部分實(shí)驗(yàn)和結(jié)論為了大家講述惋戏。

愛因斯坦的狹義相對(duì)論指出领追,空間和時(shí)間都不是絕對(duì)的,構(gòu)成狹義相對(duì)論基礎(chǔ)的兩個(gè)簡(jiǎn)單的原理:

1:一個(gè)與光的性質(zhì)有關(guān)响逢,也就是光速是恒定的绒窑,光速是10.8億千米/小時(shí);

2:另外一個(gè)相對(duì)比較抽象舔亭,是相對(duì)性原理些膨,也就是運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的。這個(gè)原理基于一個(gè)簡(jiǎn)單的事實(shí):不論我們討論速度的大小還是方向钦铺,都必須要明確測(cè)量者订雾。這個(gè)就是相對(duì)論思想的精髓。我們用一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)說明矛洞。

假設(shè)在浩瀚的宇宙葬燎,喬治飄忽在黑暗的空無一物的空間中,從他的角度缚甩,他是完全靜止的谱净。而遠(yuǎn)處,他看到另外一個(gè)同樣漂浮在宇宙中的另外一個(gè)人格雷西正向他飄過來擅威。經(jīng)過他時(shí)壕探,他們相互揮了揮手。緊接著郊丛,格雷西消失在黑暗的夜空中李请。這個(gè)故事如果從格雷西的角度看,也可以解釋為厉熟,格雷西自己感覺是靜止的导盅,遠(yuǎn)處的喬治向她飄過來,然后揮了揮手之后消失在夜空中揍瑟。這兩個(gè)故事講的是同一件事情白翻。兩個(gè)人都覺得自己的靜止的。這就是相對(duì)性原理的精髓:運(yùn)動(dòng)是相對(duì)绢片。

在狹義相對(duì)論里滤馍,不僅運(yùn)動(dòng)是相對(duì)的,時(shí)間和空間的結(jié)構(gòu)密切依賴于觀察者和被觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)底循。運(yùn)動(dòng)物體的演化會(huì)變慢巢株,運(yùn)動(dòng)物體在時(shí)間上會(huì)感覺慢了,在運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度也變短了熙涤。

在愛因斯坦的狹義相對(duì)論里阁苞,物體的運(yùn)動(dòng)大部分是在時(shí)間困檩,而不是在空間中度過的。在我們的普遍認(rèn)知中那槽,我們都是在空間中度過的窗看,我們坐在沙發(fā)上看電視,在大街上行走倦炒,我們生活在一個(gè)三維的空間里显沈,這個(gè)大家比較好理解。但愛因斯坦將我們的時(shí)間看成宇宙的第四維度逢唤,我們實(shí)際上是生活在包括時(shí)間維度的四維的宇宙中拉讯。比如當(dāng)我們約一個(gè)朋友在什么地方見面時(shí),我們除了確定雙方的三維空間(就是在什么具體的地方)以外鳖藕,我們還會(huì)約定一個(gè)時(shí)間魔慷,比如下午4點(diǎn)見面。

于此著恩,愛因斯坦將時(shí)間和空間的概念統(tǒng)一在一起院尔。前面我們講到,當(dāng)物體相對(duì)于我們空間運(yùn)動(dòng)時(shí)喉誊,它的時(shí)間也會(huì)變慢拼苍。那么同樣的衣赶,在時(shí)間的維度里串慰,當(dāng)物體相對(duì)時(shí)間運(yùn)動(dòng)時(shí)绞灼,它在時(shí)間里的運(yùn)動(dòng)速度也變慢了。

宇宙間的一切事物總是以一個(gè)恒定的速度(光速)在時(shí)間和空間里運(yùn)動(dòng)敷矫,而且我們?nèi)S空間和一維時(shí)間的相加的速度就是光速例获。但我們?nèi)粘I钪羞\(yùn)動(dòng)的物體速度遠(yuǎn)小于光速,因此我們感覺不到相對(duì)效應(yīng)的存在曹仗。這點(diǎn)怎么解釋呢榨汤?

加入一個(gè)物體(相對(duì)于我們)是靜止的。也就是說它在空間里是不動(dòng)的怎茫,那么相對(duì)于我們收壕,這些物體的空間運(yùn)動(dòng)速度是0,所以我們和這些物體在時(shí)間維度的速度是一樣的光速遭居,所以我們會(huì)跟它們以一樣的速度變老啼器。但是另外一面旬渠。如果一個(gè)物體相對(duì)于我們是運(yùn)動(dòng)的俱萍,比如汽車從我們身邊駛過,那么物體運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)移意味著它在空間運(yùn)動(dòng)速度大于0告丢,所以它在時(shí)間速度中就會(huì)微小于光速枪蘑,因?yàn)樗幸徊糠诌\(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)移到空間里面去了损谦。也就是說,當(dāng)物體在空間運(yùn)動(dòng)時(shí)岳颇,它的時(shí)間會(huì)變慢照捡。

如此推演,當(dāng)物體在空間中的運(yùn)動(dòng)速度為光速時(shí)话侧,那么它是時(shí)間應(yīng)該是靜止的栗精,也就是時(shí)間的速度為0。那么瞻鹏,如果物體的運(yùn)動(dòng)速度超過光速悲立,我們就可以時(shí)光倒流嗎?可惜的是新博,任何物體的運(yùn)動(dòng)不可能超過光速薪夕。這是為什么呢?

質(zhì)能等價(jià)理論是愛因斯坦狹義相對(duì)論的最重要的推論,即著名的方程式E=mC2,式中E為能量,m為質(zhì)量,C為光速赫悄;也就是說,一切物質(zhì)都潛藏著質(zhì)量乘于光速平方的能量.由此可以解釋為什么物體的運(yùn)動(dòng)速度不可能超過光速原献。

一個(gè)靜止的物體,其全部的能量都包含在靜止的質(zhì)量中.一旦運(yùn)動(dòng),就要產(chǎn)生動(dòng)能.由于質(zhì)量和能量等價(jià),運(yùn)動(dòng)中所具有的能量應(yīng)加到質(zhì)量上,也就是說,運(yùn)動(dòng)的物體的質(zhì)量會(huì)增加.當(dāng)物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于光速時(shí),增加的質(zhì)量微乎其微,如速度達(dá)到光速的0.1時(shí),質(zhì)量只增加0.5%.但隨著速度接近光速,其增加的質(zhì)量就顯著了.如速度達(dá)到光速的0.9時(shí),其質(zhì)量增加了一倍多.這時(shí),物體繼續(xù)加速就需要更多的能量.當(dāng)速度趨近光速時(shí),質(zhì)量隨著速度的增加而直線上升,速度無限接近光速時(shí),質(zhì)量趨向于無限大,需要無限多的能量.因此,任何物體的運(yùn)動(dòng)速度不可能達(dá)到光速,只有質(zhì)量為零的粒子才可以以光速運(yùn)動(dòng),如光子。

好了埂淮,總結(jié)下今天的內(nèi)容姑隅,有幾點(diǎn)。

1:狹義相對(duì)論中倔撞,運(yùn)動(dòng)是相對(duì)粤策,時(shí)間和空間也是相對(duì)的。

2:我們生活在一個(gè)四維空間中误窖,以光速在時(shí)空中運(yùn)行叮盘。

3:光速是恒定的,任何物體的運(yùn)動(dòng)速度不可能超過光速霹俺。

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