「探索」漫談光錐之內是命運的狹義相對論

2020-12-19 OMG未來

#嫦娥五號成功返回地球#

嫦娥五號擇機返回地球老家已成為板上釘釘的事情;與此同時,九章量子計算機的面世也將人類對宇宙法則的認識推向了一個新的高度。縱觀人類近百年來的外太空「歷險」史與科學突破史,一個又一個當時被視為不可能的理論,最終都慢慢成為了現實。

超前的理論總是比實驗更早出現在科學界。因為理論源於思想家們對宇宙法則的推理,同時論證於嚴密的數學甚至哲學邏輯。

在很多超前的理論裡面,有個玄乎其玄的理論,就是我們的愛因斯坦爺爺提出的狹義相對論。

很多人都聽過「狹義相對論」這五個字,但鮮有人知道到底什麼是「狹義相對論」。

說起這個,還得提一下那個被紅蘋果砸「壞了」腦袋的大帥哥——牛頓。就是他,因為研究蘋果為什麼落地上,而不是飛天上,最後為物理學界貢獻了著名的「牛三律(牛頓三定律)」。

牛三律統治了科學界數百年,其奠定的經典力學模型完美解釋了小到發動機,大到恆星行星等地外天體的運行規律,可謂窺探到了「上帝」的小秘密。

然而後來,一位叫法拉第的小哥哥玩磁鐵的時候發現:當磁鐵穿過金屬線圈的時候,線圈表面會有電子流動。這一發現,將人類從蒸汽時代帶入了電子時代。

電的出現,也引發了整個科學界對微觀粒子界的探索。久而久之,通過洛倫茲等一眾大佬的反覆實驗,發現了「上帝」的另一個秘密——光速不變性。即,光的速度在任何情況下都是一樣的,不會受到任何介質的影響。比如:空氣中的光速和水中的光速是一樣的,不會因為水的阻力而變慢。

這麼一搞,牛頓大帥哥的牛三律就受到了挑戰。

因為牛三律說了:物體在不受任何外力的情況下,總保持靜止或勻速運動狀態。但如果受到了恆定外力作用,則會在若干外力的合力方向上做勻加速運動。也就是說,力會影響物體的速度。

光,也是一個物體。當穿過水和空氣的時候,如果按照牛三律。因為水的阻力更大,所以光在水中的速度應該比在空氣中更慢才對。然而,事實並非如此。

這時候,科學界第一次發現了以光為首的微觀粒子貌似並不會遵守牛三律。

帶著這個問題,天天全球四處出差演講的愛因斯坦爺爺就在百忙之中開始了他的思考。並用建立理想模型的方式發明了一個叫做「光鍾」的計時器。

可以從下圖看出,光鍾就是一個小瓶子,裡面放了一個小球。小球每秒都會在瓶子中上下往返一次。在飛船上的人看到小球移動的路徑是上下兩條直線。但在外面的人看到的就是兩條更長一點的折線。結果導致了相同的時間,對兩個不同的觀察者來說,完全不相同。

光鐘不太好理解。我們換個例子:

如果一個路人甲乘坐一輛超低速列車在鐵道上遛彎,並在往車頭方向奔跑,路人乙站在地面上觀察。按照我們初中所學的相對運動原理,如果路人甲在車上的奔跑速度為5m/s,列車速度為10m/s,那路人乙在地面上看到路人甲的速度應該是10+5=15m/s。

也就是說,10s時間過去以後,路人甲認為自己只跑了50米。

但加上車自己跑的100米,路人乙卻認為路人甲已經跑了150米。

這就引發了一個問題:路人甲和路人乙對10s的感受是不一樣的!

路人甲的10s只感覺自己毫不費力移動了50米;而在路人乙看來,這10s路人甲以一個不可思議的高速狂奔了150米。

也就是說路人甲眼中的時間是正常的,而路人乙眼中的時間變快了。

當然愛因斯坦爺爺最初的版本並不是上面這樣的,而是更加的嚴密理性,這裡為了易懂,進行了一些加工。

在這個模型的基礎上,愛因斯坦爺爺經過夜以繼日的推導,終於從理論角度證明了「時間」是相對的,並不是固定的,每個人的1秒都有可能是不一樣的。之所以我們現在用一樣的時鐘,一樣的時區,僅僅是為了方便管理日常生活而已。

如果將上例中的列車比作光,把路人甲比作一艘飛船,飛船乘坐光前進,就形成了最初版本的「狹義相對論」原理——時間膨脹效應。

還記得那個經典的科幻電影《星際穿越》嗎?其中有一個鏡頭採用的就是愛因斯坦爺爺狹義相對論中的「時間膨脹效應」:在黑洞引力的約束下,整個星球處於時間膨脹狀態,當男主和女主著陸1小時並返回軌道飛船後,軌道飛船已經在太空中飄過了25年的時間,飛船中等待接應的帥氣小哥哥也已經變成了鬍子花白的老爺爺。

「狹義相對論」除了有時間膨脹效應,還包含很多其他研究結論。

比如「長度縮短效應」,當物體移動速度越來越快時,在外邊觀察它的人會看到它的長度也越來越短(現實生活中亦是如此,只不過速度尺度都太小,肉眼難以分辨出差距而已);

當它移動速度達到光速時,它將變成1個沒有厚度的薄片;這個很好理解:它的頭部速度是光速,尾巴速度也是光速,相同的時間後,頭和尾巴幾乎在同一個位置,長度可以忽略不計,所以看到的就是一個薄片。

而如果它超越了光速,那它將徹底消失。至於去了哪裡,這個很難說(因為愛因斯坦爺爺也沒研究出來,愛因斯坦爺爺認為光速是宇宙中的極限速度!是個只能被接近,無法被超越的存在)!

「狹義相對論」出現以後,愛因斯坦爺爺的老師對自己學生的遠見頗為讚嘆,然後利用該原理靈機一動,發明了一個至今依然很牛掰的在二維平面中描述四維時空的模型:光錐。

光錐闡述了宇宙中的一切事件都是隨時間推移,像四周擴散的,隨著時間的增加,事件的影響範圍也變大,把每個時間段內的範圍疊在一起,最後就形成了一個錐形。

原點是事件的開始,那時間增加的方向就是這個事件的未來,時間減小的方向就是這個事件過去。這個事件的起因和對未來造成的所有影響都在這個錐形對以內。

舉個簡單地例子:離我們5光年(光傳播5年的距離)外的一個恆星爆炸了。因為距離太遠,所以該恆星爆炸以後我們並不能立即知道這個信息(在光錐之外),而5年以後,該恆星爆炸的光芒才終於傳到了地球,我們才知道它5年前已經爆炸了(進入光錐)。

所以,我們目前觀測到的整個宇宙,都是由無數個類似的光錐疊加而成的「虛幻」,離我們越遠的天體,我們觀測到的就是越早之前的它傳來的影子,而不是現在的它。

因為光速無法超越,遙遠的宇宙中可能正在爆發著什麼,未來必將影響到我們,可是我們尚不知道,冥冥之中,某些將要發生的事情已經註定。所以科學界對於光錐一直流行著一句很理性又很無奈的諺語:「光錐之內,就是命運

「狹義相對論」的出現對人類認識世界的方式產生了十分重大的影響。也讓人類探索太空有了更多的信心。為人類的科學方向提供的新的航向。這主要表現在它創造性的想像力和實驗結論的準確性上。

比如了解了時間膨脹效應,人類就可以想辦法研究接近光速的飛船。那樣的話訪問距離光年計的外星球也不過是分分鐘的事情(至少不用擔心要在飛船裡面冬眠幾百年)。

甚至人們研究太空航行的基本方式也會轉變,比如飛船的動力系統不再使用物理燃料(因為無法接近光速),而是用其他的基於如何接近光速這一目的的推動方式,比如現在部分科幻小說中提到的:空間扭曲(蟲洞)、暗物質湮滅等。

希望有生之年能感受一次時間膨脹,或者要求低一點,看到一次關於時間膨脹全流程演示的小實驗。我對科學家們大有信心,大家覺得呢?

「探索」最強環衛工:撿垃圾撿到太空

「探索」嫦娥五號即將凱旋 阿波羅計劃真假之謎也要揭開了

「探索」關於嫦娥五號 你必須要知道的幾件事

「評論」它才是推動人類文明進步的根本動力

相關焦點

  • 《三體》——光錐之內是命運
    類似地,從一個事件出發的光在四維的空間時間裡形成了一個三維的圓錐,這個圓錐稱為事件的過去光錐。它的宇宙學意義就是當我們遙望夜空的時候,我們並沒有看到目前狀態的宇宙,天空所顯示的圖像不同於一幅瞬時拍攝的快照因為光從遙遠的地方到達我們這裡要花一定的時間,我們在天空中所見到的任何一個天體都是它在發光瞬間的像。望遠鏡好比是「望時鏡」。
  • 光錐之內皆是命運
    如果一件事連它發出的光都還沒有被我知曉,那麼我就沒有任何其它的途徑來獲知這件事,這件事也沒有任何方式能夠影響到我,那麼我們就可以認為根本沒有發生這件事情。事實上我們也不會知道這件事件的發生,當我們能夠接收到事件傳播過來的信息之時,那麼我們也只能選擇接受,因為事情已經發生。
  • 狹義相對論和廣義相對論的區別是什麼?
    要了解狹義相對論和廣義相對論的區別,我們首先要搞清楚,這兩個理論大概說了什麼?狹義相對論我們先從狹義相對論說起,其實狹義相對論解決了一個物理學的重大矛盾。在愛因斯坦之前,最成功的兩個理論分別是牛頓提出的牛頓力學和麥克斯韋提出麥克斯韋方程。
  • 怎樣理解狹義相對論——狹義相對論簡析
    狹義相對論主要是解決麥可遜-莫雷實驗中得到的光速各向不變的結果裡的速度疊加矛盾的。由於當時人們認為光是在一種稱為以太的介質裡傳播的,而地球在以太裡做各種運動,包括地球自轉運動、地球公轉運動、隨太陽系公轉運動等,這樣必然導致地球相對於以太在各個方向上的速度分量不一致,這樣,根據經典力學裡的速度疊加原理,不同方向上的光速應該是有差異的。然而邁克耳遜莫雷實驗證明,兩束互相垂直的光的速度完全一致,這用傳統的理論就無法解釋了。
  • 《狹義與廣義相對論淺說》
    《狹義與廣義相對論淺說》是愛因斯坦親自為中等知識水平的讀者撰寫的相對論普及性著作。作者以最簡單、最明了的方式介紹了相對論的主要概念,並大體按照相對論實際創生的次序和聯繫來敘述,具有較高的可讀性。
  • 小米MIUI 12 亮相,自研「米柚光錐動效架構」
    首先亮相是MIUI 12,從2010年的「100位夢想贊助商」,到今天的3.1億月活用戶,MIUI已經走過10個年頭。MIUI是小米的第一個產品,小米稱,軟體是手機的靈魂,某種程度上是比硬體更重要的存在。今天,為大家帶來小米十年夢想之作,MIUI12。MIUI官方稱,過去半年時間,大家談論最多的詞就是「動畫」。
  • 愛因斯坦狹義相對論中最重要的悖論埃倫費斯特悖論
    埃倫費斯特悖論是埃倫費斯特針對狹義相對論提出的一個思維實驗。為了解決悖論,你會發現狹義相對論真的是不夠用了,必須要引入廣義相對論的基本假設才能解釋。這個悖論也大大啟發了愛因斯坦去思考廣義相對論的問題。1. 埃倫費斯特悖論1.1 圓的周長首先來複習一下最基本的幾何知識。
  • 果殼裡的宇宙,光錐之外的霍金
    光在四維空間裡不斷前進,就會形成一個三維的圓錐。你看到的任何人和物,都在光錐之內,都是過去的人和物,《三體》中有一句名言,叫做「光錐之內就是命運」,也就是說,你所看到的宇宙,是已經發生的既定事實,是無法改變的。而光錐之外的就是未來,光到不了你的眼睛裡,你對未來也一無所知。
  • 學術論文:論狹義相對論存在的缺陷之英語翻譯稿
    論狹義相對論存在的缺陷On the Defects of Special Relativity摘要:現在,我們有充分的事實和理由認為,狹義相對論存在缺陷。如果真是這樣的話,狹義相對論將面臨被否定的命運。
  • 將來光錐和過去光錐的穿越的通道?
    將來光錐和過去光錐的穿越的通道?早在1930年代,愛因斯坦在研究引力方程的時候就提出了一個設想,宇宙中可能存在連接兩個時空的通道,這時候以色列裔的美國物理學家羅森一同與愛因斯坦對這個問題進行了研究,並且給出了假設方程,這就是愛因斯坦羅森橋。
  • 狹義相對論到底是什麼意思,給大家一個具體的解釋,幾分鐘就明白
    但是如果還有另外一個人的話,那麼在他的眼中,兩個人都能夠同時呈現他們的樣子,當然他們的樣子是一個快一個慢,那麼如果根據這個情況的話,光的速度就會有不同,這是我們對於正常事物的一個理解,可是狹義相對論有新的解釋。
  • 通俗的解釋什麼叫「狹義相對論」
    親愛的看官,如果你從不知道狹義相對論,那麼請給你的大腦系好安全帶,因為哥要帶你的大腦飛一把了。如果你知道狹義相對論,如果有什麼觀點,歡迎討論。這就是狹義相對論中的時間膨脹效應。註:狹義相對論中,相對於慣性系統移動的時鐘會走得較慢。先別急著反駁,這麼奇怪的理論,擱誰都不願意相信,小編我以前也不信。但為啥現在人們會認同這種詭異的理論呢?
  • 通俗易懂講解愛因斯坦狹義相對論,看完對世界的理解提升N個檔次
    相比起艱澀難懂的廣義相對論,愛因斯坦在 1905 年提出的狹義相對論其實並沒有像我們想像的艱深,那麼狹義相對論究竟講的是什麼呢?今天我就用通俗易懂的方式帶大家了解一下!於是拋棄靜止參考系以太,1905年愛因斯坦發表的題為《論動體的電動力學》一文中以光速不變原理和狹義相對性原理為基本假設的基礎上建立了一種區別於牛頓時空觀的新的平直時空理論。這就是我們熟知的大名鼎鼎的狹義相對論。
  • 什麼是狹義和廣義相對論,在現實生活中的意義,與萬有引力的博弈
    什麼是廣義相對論呢,廣義相對論:主要是指空間扭曲,當一個很大的質量的物體可使空間凹陷。太陽周圍的空間在太陽還沒有來之前是一個很平的平面,因為太陽的質量較大使得原本很平的空間,出現了凹陷,而八大行星就是因為凹陷「滾落」下來的。
  • 狹義相對論才能解釋因果論,先有結果再有原因的世界會是什麼樣子
    愛因斯坦今天和大家來聊聊神奇的狹義相對論,狹義相對論很複雜,核心呢,就叫做光速不變原理。光相對於你的速度是永遠不變的,不會因為參照系的改變而改變。能看見扣動扳機是因為手上的光傳遞到了你的眼睛裡被你看到,能看到子彈飛出是因為子彈上的光傳遞到你的眼睛裡。子彈的速度是900米/秒左右,如果光速時可變的話,那么子彈上反射出的光的速度相對於你就是光速加上子彈的速度,扣扳機的手上反射的光相對於你來說就是正常的光速,也就是說子彈上反射的光先到達你的眼睛裡被你觀測到了。
  • 通過「狹義相對論」剖析所謂「絕對真理」到底是什麼?
    前面我通過10多篇文章詳細介紹了狹義相對論的起源、誕生過程、內涵以及意義,其中對愛因斯坦用理性戰勝直覺的偉大創舉表示了高度的評價,但是有很多反相對論的網友卻認為「狹義相對論」未必正確,為啥會覺得這麼一個物理理論是不正確的呢?其主要原因就是這些網友壓根不懂狹義相對論。
  • 光錐之內,既是命運!關一帆為什麼說宇宙是一具「膨脹的死屍」?
    光一秒鐘就可以繞地球7.5圈,一秒鐘就可以從地球到月球。但這個速度還是太慢了。太陽發出的光要整整走8分鐘才能到達地球,我們看到的都是8分鐘前的太陽,哪怕太陽現在立馬爆炸我們也要8分鐘後才能知道。我們的銀河系直徑為10萬光年,而我們太陽系位於銀河系的偏遠地區,第四懸臂上,基本算銀河系的邊緣,這意味著太陽發出去的光要運動10萬年才能到達銀河系的另一端,銀河系另一端的外星文明拿著超級望遠鏡觀察地球只會看到一群舊石器時代的原始人類住在山洞中圍著篝火警惕的盯著黑暗。從宇宙誕生之初的第一縷光才走了138億光年,而可觀測宇宙直徑有930億光年。
  • 相對主義與絕對主義的鬥爭——狹義相對論,為何如此讓人困惑?
    但相對而言,這本科普書無論多麼著名,它的知名度是遠遠不能與愛因斯坦的狹義相對論和廣義相對論相提並論的。在這之前的1915年,愛因斯坦提出了廣義相對論,再往前的1905年,愛因斯坦提出了狹義相對論,正是因為這兩個相對論導致愛因斯坦的名聲享譽全球,科學界也將這兩個年份公認為是愛因斯坦的「奇蹟年」。
  • 木星合相冥王星,光錐之內即命運,四大年度相位之三
    「光錐之內就是命運」,這不是玄學,是可量化的規律。|維氏佔星WAY
  • 相對論中:時間在狹義和廣義的概念下有什麼不同?
    其實難懂是因為大家只針對相對論的結論去思考。如果大家能看看狹義相對論的原理還有一些推導過程,會發現並沒有那麼難以理解,一切都結論都是那麼水到渠成。狹義相對論兩大原理光速不變原理(實際叫作光速不疊加更好)狹義相對性原理(後來的廣義相對論,直接推廣為相對性原理)