不那麼客觀地說,「相對論」算世界上最難的三個字之一。怎麼形容它的恐怖程度呢?你上一次被三個字嚇到,可能還是你的學生時代——
如果非要給狹義和廣義,加上一個恐怖程度的區分,那分別是——
好了,廢話少說,咱們直奔主題,啃一啃這個難題。
相對論到底是幹啥的?
首先你得掌握一個大前提:知道相對論爲什麼難。
因爲在相對論的世界裏,你跟盲人沒啥區別。
我們知道,物理學家這個物種,腦殼裏有着豐富的想法,他們能想到你想不到的、看到你看不到的。比如在他們眼裏,世界有三個尺度:
咱們只能感受到中間這個尺度,其他兩個太小或太大,接觸不到,所以很難被理解。
不過不用怕,跟着混子哥飛到科學最高處,非常通俗粗略地概括一下。
狹義相對論主要說的是:你跑得越快,衰老得越慢。
廣義相對論主要聊的是:
引力不存在,其實是時空被某種東西扭曲了……
咱們展開講講。
一、狹義相對論
在愛因斯坦之前,大家都覺得,時間和空間老公平了,對誰都一樣,一天就是一天,一米就是一米,誰也不多誰也不少。
這叫絕對時間和絕對空間。
牛頓的那些理論,就是建立在絕對時間和絕對空間的基礎上。
結果愛因斯坦出來反駁了:
每個人都有自己的時間。
這句話怎麼理解?
混子哥總結了一句不那麼嚴謹但方便你理解的話:
光速在任何時候都是不變的。
嚴謹地說,應該是在任何慣性參考系下光速都是不變的,大概就是說在勻速直線運動和靜止狀態下,光速不變。
這是狹義相對論的基礎前提。瞭解個大概就行。
如果你書讀得少,我來告訴你這句話啥意思。假設阿貓在車上打開手電筒,
阿狗在車外面看着。
光從手電筒射到車廂上,阿貓看到的光速,和路邊阿狗看到的光速是一模一樣的!
但按照常理,阿狗看到的光速應該是這樣的:
這叫速度疊加原理。
而且對他們來說,光走過的路明明不一樣。
看起來,同一段時間觀察同一束光,速度一樣,位移應該一樣,但實際卻不一樣!
問題出在哪裏了呢?來,我們大家跟着阿貓阿狗一起懵!沒關係,當年愛因斯坦也懵了,不過人家後來想明白了。
阿貓和阿狗經歷的時間,其實是不一樣的!
阿貓打開手電筒射車廂上,它做這件事花了1秒。
阿狗在旁邊看着阿貓做完這件事,卻花了2秒。
看明白了吧,很明顯阿貓的人生變慢了,賺了啊!
但爲啥我們平時感覺不到呢?
因爲速度太慢。把阿貓的車換成復興號高鐵,阿貓和阿狗能感覺到的時間差,可能也只有十億分之一秒。
平時生活中你感覺不出來,說明你很正常,只有車速接近光速,感覺纔會明顯。
你可以理解光速是用來計時的。你跑得越快,你相對別人的時間就慢,這叫時間膨脹,也叫鐘慢效應。
除了會有時間膨脹,還會出現長度收縮和質量變大的現象,這裏混子哥就不多說了。
當然了,在日常生活裏也是感覺不出來的。速度越接近光速,這些現象就越明顯。
好了,恭喜你,已經搞懂了相對論……的核心內容。
雖然每個人都有自己的時間軸,但通常情況下,大家會像被梳子梳理過一樣,比較整齊。
於是你下班的時候,我也要下班。
可尺度一大,就容易抓瞎,速度越接近光速,每個人的時空差異就越明顯。有的相對快,有的相對慢。
這個情況就容易造成悲劇。
實際情況不至於這麼誇張,需要取決於你我的位置和速度等狀態,但大致就這麼回事。
像愛因斯坦這種天才,人生格言就是「生命不息,想象不止」,他就想了,運動會讓時間和空間變化,那麼運動會讓質量和能量變化嗎?
於是他提出了那個網紅公式:質能方程
很熟對吧?知道這個很牛吧?表面上看也很簡單,不超出小學乘法的課綱。
咱們先來看這個公式啥意思。愛因斯坦覺得,任何東西既有質量,也有能量,這倆是同時存在的屬性,就像一個人,有身高,也有體重。
於是想知道一個人有多少能量,不用聽他嘴上說什麼,上個秤,得到他的體重,算一下就好。
光速大家已經知道了,約等於300000000m/s,很好算吧。
你可能還好奇一個問題,這玩意兒不是用來造原子彈的嗎?
其實不是,質能方程跟造原子彈沒啥關係,它只是能算出原子彈的威力。
簡單地講,原子彈靠的是核裂變啥的,中間的過程很複雜。你只需要知道,原子彈一爆炸,就有部分質量消失了。
那消失的質量去哪兒了呢?
重點來啦,其實質量沒有憑空消失,而是以能量形式釋放出去了。
這裏要注意,不能說質量變成了能量,它們不是轉化關係。
質量與能量同時存在,是等價的,所以要說以能量形式釋放了。
那能量有多大呢?
這時候咱們用上面的質能方程就能算出來,而且因爲光速的值極大,就算一點點質量,也能釋放巨大的能量。
所以原子彈威力才能如此恐怖。
二、廣義相對論
講這個,咱們還得請出家住牛家村的牛頓。
據說有天他坐在村頭蘋果樹下,被蘋果砸了,於是他說,萬物之間有種力,叫萬有引力。
以咱們的地球爲例,起初他是個無憂無慮的追風少年。
但是拗不過太陽的引力,就只有被牽着鼻子遛彎的份兒,這就是傳說中的公轉。
這個大家都學過,萬有引力揭示了一個宇宙真理:噸位決定地位,誰減肥誰腦子進水。
可是愛因斯坦又跑出來唱反調。
是胖子太胖,扭曲了時空,瘦子自己站不住,溜過來的!
愛大爺的解釋是這樣的:世上根本沒有引力,引力本質是質量扭曲了時空。
啥意思呢?
至於扭曲程度,取決於物體的質量。這事兒就好比玩蹦蹦牀。
時空就像蹦牀上的網,一旦時空被扭曲了,就會影響周圍的東西。
扔一個橙子,橙子就會繞着熊孩子轉,同理,地球也這麼繞着太陽轉。
這就是愛因斯坦廣義相對論大概的核心內容。
奇妙不?咱們常識以爲,地球繞太陽公轉,是因爲引力。
但用廣義相對論解釋就是:太陽太胖,壓彎了時空,地球是自己溜過去的!
這話聽了,擱誰誰不蒙啊!大家紛紛要證據。證據是啥呢?
日全食的照片可以證明。故事是這樣的:當日食的時候,所有人都在看太陽,科學家們卻盯着其他地方。
日食發生時,天空一片黑,
白天的時候也能看到星星。
如果太陽周圍的時空被扭曲了,那麼星星的光線經過時就會拐彎……
在地球上看就是星星的位置改變了。
等到半年以後,地球繞到太陽的背面,就會發現星星的實際位置。
這時候有人就不服氣了,這事兒萬有引力也能解釋啊!不就是光線被勾引着拐了個彎嗎?
真別不服,後來愛因斯坦設計了一通非常複雜的計算,結合其他天文學家的觀測,證明了廣義相對論。
愛因斯坦厲害就厲害在這兒,他憑着一腦之力,愣是想出了一個複雜的宇宙,最後還能被科學證明不是亂說!
好了,愛因斯坦的相對論就簡單講到這裏,具體原理其實很複雜,還涉及很多數學計算,混子哥也不給你多講了。
最後照例做個很學術的總結吧,讓你出門跟別人聊也能顯得專業。愛因斯坦的成就主要體現在統一這件事上:
相對論統一了時間和空間、質量和能量。
用愛因斯坦的一句名言結個尾吧:想象力比知識更重要,因爲知識是有限的,而想象力是無限的,它包含了一切,推動着進步,是知識進化的源泉。