#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