上篇留下一个疑问:在《星际穿越》里,站在地球上的女儿看到坐在飞船里的爸爸高速离去,为何是爸爸的时间变慢了,而不是地球上的女儿时间变慢了呢?
前两部分,其实就讲述了两件事:
一、光速在任何坐标系下都是不变的。就像你在时速400公里/小时的高铁上向前一束光,这束光的速度相对于你还是30万千米/秒。站在地面的人看也是这个速度,不会因为高铁的速度叠加而改变。这虽然反直觉,但科学家已经证实了这一点。
二、时间在不同坐标系下是可变的。这也是个非常反直觉的观念,在我们的经验里,时间的流逝是客观的。但爱因斯坦告诉我们,高速运动物体的时间流逝与速度成反比,也就是说速度越快,时间就越慢。如果你接近光速运动,你的一天可能是地面上的百年甚至千年。
关于这两点,物理学家已经证实了它们的真实性。接下来我们来探讨另外两个关于相对论的问题:物体的长度和牛顿力学与爱因斯坦相对论的关系。
在相对论的语境里,“长度收缩”是什么意思呢?物体的长度在静止或匀速的坐标系里是最长的,如果你相对于这个距离、长度有个相对速度,你会觉得它比静止时要短一些。这就是所谓的“长度收缩”。
现在我们来探讨牛顿力学和爱因斯坦相对论的关系。牛顿力学体系可以完美解释低速的运动现象,但对于高速运动的事物却无法给出合理解释。而相对论则统一了这两者,既能解释低速的,也能解释高速的。换句话说,爱因斯坦的相对论比牛顿力学更精准、更接近本质,它把牛顿力学体系包含进去了。
举个例子来说明:在低速的世界里,用牛顿力学计算的结果与用相对论计算的结果是一致的。假设你在时速V1=400千米/小时的高铁上一发V2=700米/秒的,我在静止的地面观察,这发的速度是多少?用我们朴素的经验来计算很简单:V3=V1+V2。而如果用相对论的公式计算,如果速度相对于光速太小,结果会无限接近于这个叠加的速度。也就是说,在低速运动下,牛顿力学与相对论的计算结果误差很小。
但在高速运动的情况下,结果就完全不一样了。牛顿力学计算出来的结果就会非常荒谬,而相对论的结果却是合理且符合客观事实的。比如说你站在未来高铁上用手电打一束光,按照朴素经验计算的结果就会超过光速,而相对论的计算结果却是光速。这说明在高速运动的情况下,牛顿力学是不适用的,而相对论却能给出正确的解释。
物理学家一直在简化这个世界,通过更简洁漂亮的公式来统一解释各种物理现象。而当大家都还在消化狭义相对论的时候,爱因斯坦已经有了更大的雄心壮志——他希望能用一个理论来解释所有物理现象,实现大一统。他的这种雄心壮志能否实现呢?这是我们在下一篇要探讨的内容。
(完)相关阅读:量子力学原理与应用。