「亞里斯多德」非常相信思維的力量,他認為統理宇宙的規律可以用純粹的思維找到,他不覺得實驗和觀測有多大的必要性。
№:1哲學家負責思考,科學家負責觀測和實驗
「亞里斯多德」有一個非常著名的觀點,同時釋放兩個物體重的那個一定比輕的那個落得更快,之後的1900年裡這個說法從未遭遇挑戰,直到被「伽利略」否定。伽利略從比薩斜塔上同時拋下兩個鐵球的故事,可能只是一個傳說,並沒有實際發生,不過「伽利略」確實做了類似的斜坡實驗,讓不同質量的球從光滑的斜面落下,通過觀測伽利略的結論是球體滾落的時間跟它的重量沒有關係。
「伽利略」這個實驗的價值不僅僅在於否定了「亞里斯多德」的說法,他還開啟了實驗科學的大門,近代科學也被稱為「實驗科學」。每一條科學規律都必須得到實驗的驗證,而且要經得住反覆驗證,這種實驗精神來自「伽利略」,這也是伽利略被稱為「現代科學之父」的原因,也可以說是伽利略將哲學家和科學家的工作徹底區分開來。哲學家負責思考,科學家負責觀測和實驗。
後來發現在月亮上不存在空氣阻力,一根羽毛和一個鉛球以同樣的速度下降,在伽利略的基礎上,牛頓提出它的三大運動定律和萬有引力定律一樣,牛頓三大運動定律也是如此的優美、和諧、簡單。
這裡簡單介紹下牛頓三大定律的第3條(牛頓第三定律):
兩個物體之間的作用力和反作用力總是在同一條直線上,大小相等,方向相反,牛頓運動定律帶給牛頓極大的榮耀和成就,牛頓的運動定律所揭示的一個事實卻讓牛頓非常不滿意,這個事實是物體間的運動狀態都是相對的,所以宇宙中不存在一個絕對靜止的狀態,一個物體處在什麼位置,處在哪個空間都是相對的,沒有絕對位置,也沒有絕對空間。
這一點在生活中不難理解,當一個物體以10千米每秒的速度相對於地面運動,對比跟它同一方向以8千米每秒運動的物體,則它的運動速度是2千米每秒,而如果與它自己相比,它的速度其實是0。
舉例說明:
一個人在運動的火車裡起跳,他跳一次落回原地,過一會兒再跳一次又落回原地,在他自己看來兩次跳躍並沒有空間上的區別,但對於火車外地面上的觀測者來說,這兩次起跳完全發生在不同的位置不同的空間。
然而發現這個觀點可以被推廣到整個宇宙,牛頓感到非常難以接受,他認為如果宇宙中沒有一個絕對的靜止狀態,那麼這個宇宙也太沒秩序,太沒意義了。
如果牛頓多活200年,知道20世紀初的科學發展狀況,他的態度可能會從拒絕接受變成大為惱怒,因為這個時候科學家們不但不認可絕對空間,他們甚至認為時間也不是絕對的,也就是說兩個人使用同樣的鐘為同一件事計時,任何誤差都沒有,但事情結束時兩個人的鐘卻顯示不一樣的時間。
這怎麼可能?
不但可能而且是必須的。
№:2沒有絕對時間的觀念
起源於人們對光的認識,起初有人發現光是有速度的,多年後兩個美國科學家決定對光的速度進行測定,他們意識到可以利用地球圍繞太陽的公轉進行光速測定,因為不同季節不同時間地球的運動方向跟太陽光的方向是不同的,所以地球處於不同運動方向時,太陽光的速度應該有所不同。
1887年,這兩個人得出了驚人的結論,這個結論之所以驚人,因為跟他們的預想截然不同,這個結論是無論地球如何運動,太陽光的傳播速度完全一致。
這怎麼可能呢!
當地球向著太陽運動時,太陽光速應該快呀,因為還要加上地球運動的速度嗎?
當地球背著太陽運動時,太陽光速應該慢啊,因為還要減去地球運動的速度嗎?
所以這兩個人的結論才驚人,這兩一個是物理學家「麥可遜」,另一個是化學家「莫雷」,這個實驗被稱為著名的「麥可遜·莫雷實驗」,麥可遜還因此成為美國第1個獲諾貝爾物理學獎的人。
這個結論對物理學界的震驚可想而知,因為它徹底否定了牛頓運動定律:
兩個小朋友在跑道上跑,旁邊開過一輛更快的汽車,那輛汽車的速度不管是跟地面比或是跟跑道上的小朋友比都是一樣的。
不可能嗎?
在速度慢的世界裡確實不可能,但是在速度快的世界裡,速度快到可以跟光速相比的時候,這事兒就可能了。
例證:
1905年,愛因斯坦用狹義相對論說明了這個可能性,狹義相對論包含以下兩個基本原理相對性原理,
相對性原理:不管觀察者處於什麼運動狀態,物理定律不變。
光速不變性原理:任何光線都以確定的速度c運動著,不管這道光線來自靜止的還是運動的物體,狹義相對論認定光的速度是恆定的,兩個不同運動速度的物體各發出一束光,在相同的時間裡,兩束光走過的距離不一樣,但光的速度是一樣的,而在第三者測量的相同的時間裡,這兩個物體所經歷的真實時間也是不一樣的。
時間變成了相對的,絕對時間也不存在了,這個結論不但會讓牛頓大為惱怒,恐怕現在也還有很多人覺得難以接受,但是這種現象確實存在。
舉例說明:
如果一個人乘飛機順著地球自轉的方向往東飛,它的速度等於飛機的速度,加上地球自轉的速度,相比往西的飛機往東的速度更快,所經歷的時間就比那個往西飛的更短,這個結果已經被精準的鐘表測量所證明,也證明了狹義相對論的正確性,換一種形象通俗的說法,這叫「時鐘變慢」。
運動使得時鐘變慢,如果一個物體的運動速度足夠快,快到可以跟光速對比,那麼時鐘變慢的效應就會非常明顯,以至於出現兒子比老爸還老的現象。
№3:物體的質量也跟速度有關
狹義相對論還表明一個物體的質量也跟速度有關,速度變大質量也隨著變大,當一個物體以10%光速運動,它的質量將會增加0.5%,當它的速度達到光速的90%,它的質量將變成原來的兩倍,速度再往上離光速越近,這個物體的質量增加越快,它永遠不可能達到光速,因為那時它的質量將變得無限大,這也是狹義相對論的另一個簡單明了的結論,任何物體的速度都不可能超越光速,狹義相對論解決了光速不變的問題。
但愛因斯坦卻發現了問題,太陽光傳到地球需要8分鐘,也就是說我們現在感受到的太陽光是8分鐘之前的,如果太陽突然消失,8分鐘後光才停止,可是如果太陽突然消失,太陽對地球的引力也會突然消失,不會等8分鐘。
這就表明引力比光跑得快?
這個問題愛因斯坦從1908年開始琢磨一直到1915年,也就是他提出了廣義相對論,廣義相對論說「引力不是力」,而是一種彎曲,愛因斯坦提出廣義相對論之後的幾年裡,科學界流行一個有趣的說法,世界上真正懂廣義相對論的人包括愛因斯坦只有三個,當然這句話有開玩笑的性質。
一個人從英國出發直直的走到義大利,他走的線是一條直線嗎?
不是,走的是一條弧線,因為地球是圓的。
一個物體放在那裡一動不動,一個小時後它的位置變化了嗎?
從三維的空間來看沒有變化,但是如果把時間也算作一個變量,在增加了時間的這個四維空間裡,它變了,質量的影響,可以帶來空間時間的變化。
太陽的質量能夠引發其周圍空間時間的彎曲,這種彎曲在廣義相對論之前被稱為「引力」。
№4:結語
廣義相對論認為,遇到質量大的物體時,光線是會彎曲的,比如一些恆星的真實位置可能跟我們觀測到的不一樣,因為它所發出的光線在經過太陽時被太陽給彎曲了,光線可以彎曲的結論,後來被科學觀測證明了。
廣義相對論還認為地球上的一個水塔,其頂部的鐘和底部的鐘走的不一樣,底部的應該慢一些,這一點也被科學實驗證明了。
從廣義相對論出發還可以推斷出宇宙必須有一個開端,而且可能有個終結時間。
有意思的是,廣義相對論推斷出宇宙的開端,宇宙的開端卻否定了廣義相對論。