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文科生通俗解释相对论系列(一)

文科生通俗解释相对论系列(一)

作者: 天义云天 | 来源:发表于2018-04-25 19:45 被阅读214次
    相对论.jpg

    作为一个文科生,我也许算是一个例外。

    可能是兴趣使然,我天生对一切知识都挺感兴趣。虽然分科时选择了文科,但是很多理科的知识我也相当喜爱,尤其是相对论和量子理论。

    在没有阅读相关知识之前,我想当然地认为这些理论绝非我这种门外汉所能理解。可是当我有所了解之后,我才发现,相对论的推导和计算的确非常复杂,但如果只是追求理论上的了解,那么即使是初中生也没有太大的问题。

    是不是觉得我在胡扯?好吧,好吧,初中生行不行我不敢肯定,但我保证,任何一名高中生在看了我的文章之后,都可以理解相对论。

    所以,请让我以一名文科生的身份,用浅显易懂的语言和为你介绍和相对论有关的一些知识,力求让你对这个蛮高大上的名词有一定的了解。

    让我们开始这趟相对论之旅吧,我保证会很轻松,而且相当有趣。

    在看到“相对论”这个词时,我想你的第一反应可能是:相对论是什么?

    根据维基百科,相对论(Theory of relativity)是关于时空和引力的理论,主要由爱因斯坦创立,依其研究对象的不同可分为狭义相对论和广义相对论……相对论极大的改变了人类对宇宙和自然的“常识性”观念,提出了“同时的相对性”、“四维时空”、“弯曲时空”等全新的概念。

    晕,这是什么鬼东西,你表示太长不想看。

    没事。如果一定要用一句话来解释相对论,那么相对论就是爱因斯坦创立的一种认识世界的物理理论。

    先说说什么是“物理理论”吧。

    不知道大家还记不记得中学时的物理课?在那时,我们知道了世界上有重力、有速度、有光线、有电磁、有热力等等。总的来说,我们在学习物理的(可能对文科生来说是痛苦的、无聊的)过程中不知不觉地获得了一些关于世界的基本认识。

    比如说苹果落到地下而没有飞到天上是因为重力;我们能看见手机是因为光线照到手机后反射到我们眼中;磁铁能吸附一些金属是因为磁铁能产生磁场;冷空气会下沉而热空气会上升……这些关于世界的基本认识就来源于牛顿力学、电磁学、热力学等物理理论。

    那么同样属于“物理理论”的相对论,会带给我们对世界什么样的认识呢?

    不要着急。我想,在颠覆你的世界观前,还是先说一说“狭义相对论和广义相对论”吧。

    何为狭义?简单的说就是狭义就是指特殊的,而广义就是指一般的。所以,相对论其实也就分为“特殊相对论”和“一般相对论”。

    举例来说,吃饭也可以分为狭义的和广义的——广义的吃饭就是指吃过了,而狭义的吃饭则特指吃米饭。

    同理,狭义相对论就是指特定条件下(在惯性系下)的相对论,而广义相对论则无需特殊条件,适用于所有地方(参考系)的相对论。

    在介绍完相对论的定义后,就该介绍相对论的内容了。

    等等!你表示相对论这东西据说根本没有几个人能搞懂,你一个文科生确定自己能懂吗?

    不用担心,如果用纯粹的数学语言来解释(这是最严谨的方法)相对论,那的确非常晦涩困难,别说是文科生,就是大学理科生,也不见得能完全理解。但是,如果我们只是从理论(以及文字和图片)上了解相对论,那并非很难,我相信你一定能懂。

    那么,在这篇文章中,我想介绍的关于相对论的一个内容就是——世界上任何物体的“速度”都是光速。

    没错,我、你、小动物、手机、飞船的“速度”都是光速。

    什么?你也许大吃一惊,这好像不可能吧。

    哈哈,其实我说的“速度”并非现实中的物体运动速度,而是指物体在时空中的运动速度。

    再强调一次,是物体在时空中的运动速度。

    相信大家对时间和空间不会陌生,但“时空”并非等于“时间”加“空间”,就像“手机”也不等于“手”加“机”。时间毫无疑问是向前流逝的,而空间想必大家也很清楚,是由三个维度构成的。

    在说明时空之前,先提个小问题吧。如果你在游泳时保持相同的速度,一次沿直线游到对面,一次斜着游到对面,很明显是直线游耗时最短,为什么?

    很简单。你想了想回答道:显然是因为直线距离最短,又因为距离=速度x时间,所以相同速度下耗时最短。

    没错,不过我觉得也可以换个说法来回答。当你斜着游时,你不仅在“前后的游”,而且在“左右的游”。斜着游时,由于你的游泳速度花费了一部分在“左右”这个维度上,导致你最终耗时增加。

    这样说的话,你一定能够理解。

    那么,现在让我们把时间作为一个新的维度,加入到三维空间中,形成所谓的四维“时空”。此时,发生的事情正如我一开始所说,任何物体在时空中的速度都会变成光速。

    这究竟是为什么呢?

    你可以这样理解,从四维时空的角度来看,当你在三维的空间中运动时,你也在时间中运动——所以你在空间中的运动速度会分走你在时间中的运动速度。

    简单地说,任何物体在时空中的速度就像是一块大蛋糕(光速),切出空间中的速度,留下来的就是时间中的速度——你切出的(空间的速度)蛋糕越大,留下来的(时间的速度)蛋糕就越小。

    又因为速度和运动的快慢成正比,所以,你在空间中运动地越快,你在时间中运动地就越慢。

    假如有一天,菲尔普斯和你一起游泳,显然他会游得比你快。但因为在时空中你们俩的速度都是光速,所以菲尔普斯在时间中就会“游”得比你慢,也就是说他在时间中“游”的距离比你短。换正常的话来说,就是菲尔普斯游的时间比你短。

    所以,以后别人跑步比你快时,你就可以故作神秘地对他(她)说:“哎,你太慢了,你在时间这个维度上跑的比我慢多了!”我相信对方一定会特别好奇你说这话的原因。

    怎么样,是不是感觉有点小震撼?那是当然的,这可是大名鼎鼎的相对论啊。作为一个足矣颠覆人们世界观的理论,有这些超越常理的内容实属正常。基本操作,不用鼓掌。

    如果你还是不理解的话,可以好好想一想我之前说的关于游泳的例子,或者干脆再梳理一遍。

    总之,关于相对论的介绍今天就先告一段落,让我们在后续的系列文章中再见吧。

    P.S.
    部分图片来源及主要参考书目:《狭义与广义相对论浅说》、《时间简史》、《时间的形状:相对论史话》、《从零学相对论》、《图说相对论》

    后记.
    通俗解释就意味着不能完全准确和严谨,可是如果不通过这些不恰当、不准确的说明,又很难让我的解释简单、有趣而正确。因此我简化了公式推导和理论证明,同时用了很多生活中的概念和例子,希望各位能够带着宽容和理性阅读。

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