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如何能證明相對論

生活 更新时间:2024-10-15 20:46:08

提到相對論,你會想到什麼?

愛因斯坦?

E=MC2?

确實,這是大衆熟知的關于相對論的基本信息。

但是,想給一個非專業人士,徹底講明白什麼是相對論,真是難事。

如果拿日常生活中很多現象來分析,理解相對論就輕松多了。

打個比方。

你乘坐飛機從北京飛往廣州,抵達後走下飛機的那一刻,你已經比地面上的人,年輕百億分之一秒。

為什麼會這樣呢?

如何能證明相對論(生活中這些現象就是相對論的例證)1

因為乘坐飛機讓我們所經曆的時間和空間都發生了極其微弱的變化,飛機飛行的速度,比地面行人的步行速度要快。

這就意味着我們就用了更快的速度,來到了地面上人群所在的時空,相對而言,自然比他們年輕一點,哪怕隻有百億分之一秒。

還拿乘坐飛機舉例。

你在中午十二點從飛機上起身,走到你前面十排的地方用了洗手間,15分鐘後,你回到自己的座位。

你覺得自己在12點和12點15分都在同一地方,對嗎?

可是,一個在地面上看着你乘坐的飛機的人而言,情況就截然不同了。

如何能證明相對論(生活中這些現象就是相對論的例證)2

飛機有飛行速度,假設每小時800公裡,地面上的人會認為你已經移動了200公裡。

200公裡可不是小數目,你還會認為你依然在原來的地方嗎?

你拿飛機作為參考物,你依然在同一架飛機的同一排座位上,但對于地面上其他人而言,你早就不在原來的地方了。

選擇的參照物不同,加上速度和時間的推移,我們所處的空間就會發生變化。

這也是愛因斯坦提出的時空理論。

英國著名的物理學家布萊恩.考克斯和傑夫.福修,為了幫助普通人理解相對論,理解現代物理學的基礎,跟上愛因斯坦的腳步,兩位偉大的物理學家共同編寫了一本科普入門書《人人都能懂的相對論》。

如何能證明相對論(生活中這些現象就是相對論的例證)3

他們希望用最接地氣、通俗易懂的語言,講述愛因斯坦的狹義相對論,推演E=MC2(能量等于質量乘以光速平方)的方程,重現了愛因斯坦得到這個公式的全過程。

打開這本厚度僅有一公分的書,翻看了前言,就被深深吸引。

“為什麼你的臉被一個飛過來的籃球砸中後很疼?”

你也許傻傻說不清楚。

那麼,來看看物理學家的回答:

飛過來的籃球是有動能的,打中你的臉後,籃球就把這個能量轉移到你的臉上,被轉移的能量就是扔籃球的人給籃球的動能。

說白了,你被能量攻擊了,這才感到疼痛。

這一番解釋,讓晦澀的物理知識,立刻變得妙趣生動,不再高冷。

如何能證明相對論(生活中這些現象就是相對論的例證)4

談及愛因斯坦如何推導出世界著名的方程式E=MC2時,書中提到,不用複雜難懂的數學公式,隻借助圖畫和概念等幾何語言,就能構建愛因斯坦的理論,回答為什麼E=MC2.

這個方法就三個核心:不變性,因果關系和距離。

單從字面看,這三個詞語我們都懂。

我們把空間和時間合并成時空,對整個宇宙來說,時空間距都是一樣的,也就是說事件間距有不變性。

假設光速等于宇宙上限的速度,時空讓萬物平等,一切事物都以相同的時空速度在宇宙中穿行。

事物穿行有動量,就好比網球穿行和時速100公裡的汽車穿行,被這二者撞到的區别就是兩者的速度(快慢)和質量(輕重)。

所以在愛因斯坦之前,我們認為動量就是物體速度和質量相乘。

說到這裡,不得不提能量守恒定律:能量在此處增加,必然在别處減少。

靜止的物體也有能量,物體的質量也能轉為能量。

如何能證明相對論(生活中這些現象就是相對論的例證)5

這些文字聽上去似乎有點拗口,但這些知識點并不晦澀,基本屬于初高中物理的範疇。

兩位物理學家一再強調,他們不會用超過勾股定理難度的公式來普及相對論。

因此有物理恐懼綜合征的人,大可放心。

全書的語言輕松活潑,沒有複雜的高難度公式,不會讓沒有物理學基礎的人,看得雲裡霧裡。

我們隻需要做一件事,那就是安靜地閱讀,跟着布萊恩.考克斯和傑夫.福修一起,聚精會神,去領悟物理的神奇,科學家的腦洞,還有愛因斯坦的偉大。

雖然現在提到愛因斯坦,我們眼前浮現的是一個頭發花白的小老頭形象,但是愛因斯坦提出相對論時,還是一個20歲出頭的小夥子。

如何能證明相對論(生活中這些現象就是相對論的例證)6

那時,他還沒有大學的學術職位,卻探索着那個時代最偉大的科學課題。

一年後,愛因斯坦從瑞士裡那幫理工學院畢業,取得了科學和數學專業的教師資格證。

四年後,他第一次寫下E=MC2的方程式,因此獲得博士學位,從此成為科學大拿。

布萊恩.考克斯和傑夫.福修,二人之所以要出版這本《人人都懂的相對論》,我想原因有二,一是源于他們對物理科學的熱愛,兩人都是英國曼徹斯特大學理論物理學的教授,可謂超級專業。

二是教書育人的本能,他們希望把物理知識進行更廣泛的科普。

對普通人而言,這是一本能幫助自己理解相對論的入門指導書,對那些物理愛好者而言,這是一本非常到位,足夠專業的教科書。

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這本書還入圍了科普書最高榮譽,英國皇家學會科學圖書大獎決選名單,如此殊榮,讓人對這本書又多了一份景仰和敬重。

不可否認,依然有人會覺得物理離我們的生活太遙遠,畢竟買菜做飯洗衣服,也用不到什麼高深的物理知識,看這本書有什麼意義?

這裡我想引用書中的一段話來回答:“通過建立時空模型,愛因斯坦鋪平了理解恒星發光的道路,揭示了電動機和發電機的深層工作機制,奠定了現代物理學的基礎。同時,這本書還有個目的就是提出質疑,激發大家的挑戰精神。”

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科學沒有普遍的真理,有的隻是尚未被證僞的觀點。

未來充滿各種可能。

我們生活在浩瀚的宇宙星河中,地球、太陽、月亮還有其他行星,當我們對這些自然物質有着更深入的理解,我們才能更加自信從容地跟自然和諧共處。

-----------End------------

文/魚白

圖片來源網絡

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