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?

2020-12-16 天文同好樂園

本文參加百家號 #科學了不起# 系列徵文賽。

愛因斯坦在他與別人合著的科普名作《物理學的進化》一書中寫下了這麼一段話:物理概念是人類心智的自由創造,儘管它們看上去是由外在世界單獨決定的,但實際上不是。

這本科普名作首次出版是在20世紀上半葉的1938年。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」。

不得不說的是,那時的愛因斯坦雖然已被認定為是全球頂尖的物理學家,無人可與之比肩,但並不意味著他的理論就完全讓人信服,尤其是1905年正式面世的狹義相對論,在科學家中間引發了激烈的爭論,爭論的焦點主要集中在對時空性質的認定。1713年,牛頓在《自然哲學的數學原理》第二版中提出,時間和空間是絕對的、客觀的衡量標準;而愛因斯坦在1905年的狹義相對論中則提出,時間和空間是相對於觀察者而言的。

時空的真實性質到底是什麼?自狹義相對論面世一個多世紀以來,這個問題一直是科學家和哲學家爭論的主題。說到底,這種爭論其實就是關於時空性質的相對主義與絕對主義的鬥爭。牛頓說空間和時間是絕對的,絕對空間的本性與任何外在事物無關,它總是相似的、不可移動的;時間是一種客觀而固定的衡量標準,儘管人們能感到時光飛逝或者度日如年,但那只是一種主觀體驗,與時間穩定的前行節奏無關。

牛頓的絕對時空觀統治了物理學幾百年,在愛因斯坦之前幾乎所有科學家都信奉牛頓的觀點,這主要是因為牛頓的運動和引力理論確實相當精確有效,很少有人具備資格和勇氣反駁牛頓的觀點。當然,在牛頓之前,伽利略就曾提出,運動是依賴於觀察者的,而與牛頓同時代的德國哲學家萊布尼茨也一直反對牛頓的絕對主義。但是,這兩個極少數反對者的觀點並沒有讓後人深思,更沒有人對牛頓提出挑戰,知道愛因斯坦的出現。

愛因斯坦的狹義相對論認為,不僅空間是相對的,時間也是相對的,而光速卻又是恆定的,這個結論似乎違反了人類的直覺,讓人們感到無比困惑。當你的運動速度接近光速時,相對於低速狀態的人,你會經歷明顯的時間膨脹效應,即時間變得更慢了。所以,當你的速度越來越接近光速,由於光速是恆定的,那麼必定會有其他事物發生變化,而相對於你,變化的事物正是時間和空間。另外,根據E=mc^2,能量和質量是可以相互轉換的,運動速度越快需要的能量就越大,而你的質量也越大,當你接近光速時,你的質量會達到無窮大,而質量無窮大的事物就很難再提速了,所以光速永遠是可望而不可及的。

這一切似乎都很難理解。然而,有一個著名的悖論可以闡明這個問題,即「雙胞胎悖論」:雙胞胎中的一個人坐著火箭高速離開地球,而另一個留在地球上,當高速離開地球的那一個回到地球時,他的年齡要比留在地球上的更小,這是因為時間是相對於運動速度而言的,運動速度越快則時間過得越慢。儘管在日常情況下這種效應很難察覺,但當運動速度越來越接近光速時,這種效應就會越明顯。

相關焦點

  • 道德相對主義與道德絕對主義之我見
    就我個人而言,我支持道德絕對主義。在閱讀W.T.史泰斯的《道德價值是相對的嗎?》後,我對這一問題有了更深的看法。
  • 極簡科普:什麼是狹義相對論和廣義相對論?
    我們先看狹義相對論(叫狹義,是因為狹義相對論只在慣性系中有效,它考慮的是平直時空的問題,不涉及引力),看看它到底修正了牛頓力學的哪些東西,看看有哪些東西到了接近光速的時候就不能用牛頓力學來解釋了。沒錯,確實是101米每秒,地面上觀測到人的速度就是火車的速度+人在火車上行走的速度。而且,不光是人在裡面行走,似乎不論什麼東西,你在火車了扔飛鏢也好,打槍也好,都會滿足這種簡單的加法,也就是說地面上的人觀察到的速度一定是火車的速度加上火車裡面東西的速度。但是,當實驗對象換成光的時候,這一切就變了。
  • 通俗解釋一下狹義相對論和廣義相對論
    ②不聽話的光本來牛頓的世界一切都安靜祥和美好,宇宙的規律似乎盡在掌握之中,但是這時候出現了一個不聽話的東西:光。光怎麼個不聽話法呢?因為光速它不變!我給大家舉個例子:假設你現在在一輛火車上,火車的速度是100米每秒,然後你以1米每秒的速度在火車裡面往前走,這時候你想像一下如果地面上有個人,他測量你的速度的話,會是多少?我相信你敢肯定的說是101米每秒,這麼簡單的問題小學生都會。沒錯,確實是101米每秒,地面上觀測到人的速度就是火車的速度+人在火車上行走的速度。
  • 通俗的解釋一下狹義相對論和廣義相對論
    怎麼理解這句話成了理解狹義相對論的關鍵。我給大家舉個例子:假設你現在在一輛火車上,火車的速度是100米每秒,然後你以1米每秒的速度在火車裡面往前走,這時候你想像一下如果地面上有個人,他測量你的速度的話,會是多少?我相信你敢肯定的說是101米每秒,這麼簡單的問題小學生都會。沒錯,確實是101米每秒,地面上觀測到人的速度就是火車的速度+人在火車上行走的速度。
  • 狹義相對論和廣義相對論到底有啥區別?
    之前的所有文章,我們多次談到相對論中的時間膨脹和長度收縮概念,其實這裡所說的相對論僅僅是狹義相對論,其中長度收縮僅僅是一種相對效應,也就是地面人看運動的物體,長度變短了,但是運動物體自己看自身,長度依然是沒變的,這就是長度的相對性,如果不理解這個,可以翻翻前面的文章看下。
  • 狹義相對論與廣義相對論的區別(下)
    狹義相對論咱們說了,其實那時候的物理學家已經測好了光速了,知道光是波,但是,所有人都不知道這個光速的測定是相對於什麼參考系的呢?那時候愛因斯坦才8歲,科學家等了18年。廣義相對論是怎麼回事呢?你想想,那個牛頓力學的時代,你提出相對論不是要和牛頓力學搞對立,而是要解釋牛頓力學裡解釋不了的。
  • 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。
  • 「黎曼幾何」與「狹義相對論」的相遇,驚豔了整個人類的現代文明
    由於《幾何原本》的深遠影響,使得「非歐幾何」在創立之初並沒有得到人們的認可,在各個科學研究領域中,更多的人願意使用「平直空間」。近代科學巨匠牛頓也是如此,他就是以理想化的「平直空間」為基礎,開創性地建立起了輝煌了200多年而不衰的「牛頓經典力學」。
  • 對道德相對主義的一點反思
    莊子是一個絕頂聰明的人,雖然他的相對主義思想未能成為中國古代的正統思想,但他在分析審物的多樣性方面顯現出來的深邃的智慧,對中華民族產生的巨大感染力,卻是不可低估的,特別是中國的知識分子,喜歡莊子的人很多很多。有鑑於此,今天我們在分析中國的道德相對主義思潮時,不能不看到莊子思想的潛在影響力。
  • 一口氣搞懂狹義相對論
    其中,在1905年6月30號發表的《論動體的電動力學》,後來也被叫做:狹義相對論。今天是狹義相對論發表的114周年。這都100多年前的理論,我們沒有理由看不懂它。今天,我就來給你好好講一講:狹義相對論到底講了些什麼?
  • 突破權威的瓶頸-狹義相對論的誕生
    相對論英文是relativity,這個詞的詞根是relative,本意是代表相關聯的事物,所以相對論和「相對」實際上沒有多大關係,更多地是「相關」含義,暗示著不同參考系的時空實際上是相關聯的,而他們的關係又是什麼呢?接下來我們就一起回顧一下狹義相對論的推導過程,這些過程裡面除了物理學上的成就,還給我們留下了哪些寶貴財富呢?
  • 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。配圖在原地站在地面上的人看來,跑動著的你手裡的時鐘,走字的速度變慢了。
  • 狹義相對論可解釋超光速運動
    澳大利亞應用數學家進行的研究發現,愛因斯坦的狹義相對論可用於描述超光速運動。根據愛因斯坦提出的這一著名理論,任何物體的速度都無法超過光速,但澳大利亞阿德萊德大學的數學家研究出新的方程式,對狹義相對論進行擴展,能夠用於解釋打破這一速度極限的物體運動。 狹義相對論於1905年提出,用於解釋相對於觀察者參照系的運動和速度。這一理論將從不同點觀察到的同一物理事件的測量數據結合在一起。不同的觀察點的數據從某種程度上說取決於觀察者的相對速度。
  • 狹義相對論與廣義相對論的區別(上)
    狹義相對論與廣義相對論的區別(上)「屠龍之術」又來啦,相對論之所以很多人難理解不只是我們上期說的那幾個原因
  • 狹義相對論的適用條件
    +ux&39;) ……(15)把x=vt代入(13)式得:t&39;-ux/vv&39;+ut&39;z=z&39;t&39;/vv&39;=γ(x-ut)y&39;=zt&39;-ux/vv&39;=ct&39;=c)代入「任意事件的洛倫茲變換」即得狹義相對論
  • 愛因斯坦是如何發現狹義和廣義相對論的?很多人都不搞錯了!
    相對論創立初期整個理論體系就非常完善了,但是壓根沒人相信他,為什麼?就是因為沒有實驗驗證,直到愛丁頓在1919年觀測到了和廣義相對論相符的日食現象,愛因斯坦和相對論才開始慢慢被大家接受,而愛因斯坦提出狹義相對論的那一年是1905年,足足過去了14年。
  • 「廣義相對論」和「狹義相對論」都說時間會變慢,有啥區別?
    廣義相對論和狹義相對論我在前面的文章中都講了不少,其中有個效應:時間變慢,不少朋友仍然有很多疑惑,所以今天這期節目就針對「時間變慢」效應給大家再度剖析。我們來回顧狹義相對論裡面的「時間變慢」,說的是你相對於地面靜止,一列火車相對於地面運動速度是0.1c,c是光速。
  • 為什麼愛因斯坦狹義相對論中的光速不能被超越?
    速度疊加首先要選取參照系,比如,在地面上的人看到一輛行駛的火車,火車的速度是a,在火車上有一個人行走,他的速度是b,火車和火車上的人運動的方向相同,如果以地面上的人作為參考系,那麼在他看來,火車上的人的速度是a+b。而實際發生的速度也完全符合現實。然而,但是成也牛頓力學,敗也牛頓力學。
  • 狹義相對論之洛倫茲速度變換
    圖1在狹義相對論基礎洛倫茲變換中我們得出圖1的洛倫茲正變換從S慣性參考系變換到S'係為:x=Y(x'+vt』)的洛倫茲逆變換從S'慣性參考系變換到S係為:x'=Y(x-vt)y'=yz'=zt』1=Y(t1-xv/c)其中Y為洛倫茲變換因Y=1/√(1-v/c)狹義相對論速度變換
  • 相對論光速系列總結篇:光為了與眾不同,為何如此拼?
    光速不變是狹義相對論兩大假設之一,相對於另一個假設「相對性原理」,這個光速不變要難理解的多,複雜得多,也可以說是狹義相對論各種反常識的根源。正因為如此,在我開始準備寫相對論系列文章的時候,第一件事就是要把這個問題徹底講清楚。