簡簡單單理解「相對論」,原來愛因斯坦也「失業」過?

2020-12-06 小新胡講科學

最近幾天我國的「人造太陽」東方超環取得重大突破進展,實現1億度等離子體運行。當我們不禁要感嘆中國核應用領域取得的突破時,小編更加對中科院等離子所所長萬寶年研究員和運行負責人龔先祖研究員產生崇高的敬意。同時我們更應該緬懷和感激100多年前上帝將這個天才降生人間。他就是阿爾伯特·愛因斯坦,為核能源提供了理論基礎的人。

如果說天才一詞常常在形容某個人在某一領域有過卓越貢獻,或者在同齡人階段遠遠超過其他人的傑出人才。這樣的人在歷史長河中比比皆是,可是還有這麼一群人,他們是天才中的天才。他們的研究足以改變世界給後世帶來不朽的影響,這樣的人如同天空中最亮的星,在歷史的長河中跨越了種族的隔閡,不斷散發著光芒。而愛因斯坦就是其中最耀眼的星星1879年3月14日,愛因斯坦出生於一個德國的小醫院,剛出生的愛因斯坦就和其他的嬰兒有區別,因為他的腦袋實在太大了,年幼的愛因斯坦對科學產生了濃厚的興趣,在17歲時就考入了蘇黎世聯邦工業大學。四年後也就是1900年,20歲的愛因斯坦從大學畢業,剛畢業的愛因斯坦和同學一樣裝置慢慢想要留校擔任物理學教授助理,但是老師們很不喜歡他,剛畢業的愛因斯坦竟然「畢業」就「失業」,最終為了生活他選擇了幹兼職,在畢業的第二年才到專利局工作,在利用閒暇時間,愛因斯坦創造出了相對論,這裡提到的是「狹義相對論」。

相對論說的簡單說就是所有物理量的觀測結果是跟觀測者的運動狀態有關係。首先理解之前大家應該都知道光的傳播是有速度的等於299,792,458米/秒。那麼假如一個賽亞人在太陽那裡發射龜派氣功將地球炸毀,我們需要在8分半鐘以後才看見。因為太陽光需要八分半鐘才能傳遞到地球。

當我們明白了光的傳播需要時間以後,我們在就一個簡單的不能再簡單的例子,如果兩個人行走的速度是一樣的,兩個人都從同一點到另一點走直線,如果一個人在車裡面走,另一個人在平地上走,那麼在車上走的人一定會比平地上的人更快到終點吧

下面有些燒腦了,假設我有一把槍,對著你開了一槍。但是很不幸,你是閃電俠。你的速度和反應快到足夠可以看到1.子彈從槍裡面發射出來2.我扣動扳機。首先你能看見這件事是因為子彈上面發出的光傳遞到了你的眼睛裡面,同時我扣動扳機這件事的光傳遞到了你的眼睛裡面。

結合上面兩個例子,我們可以比喻一下,人的步行速度就相當於光速,車輛的速度就相當於子彈出堂的速度。那麼我們可以得出結論,子彈出堂這件事的傳遞速度(我在車上走的速度)一定比我扣動扳機的速度(我在平地走的速度)更快。那麼這種情況先就會出現了嚴重的邏輯問題,也就是說由於子彈發出的光比我扣動扳機發出的光更快到達你的眼睛,你會看到子彈先出堂,而後我扣動扳機。這是一個違背了因果關係,違反基本邏輯的事實。

那愛因斯坦是怎麼解決這個問題的呢?愛因斯坦提出了一個大膽的想法。在任何「慣性參考系」當中所有的光的速度都一樣,沒有誰快誰慢,都是299,792,458米/秒。光速不變原理,是相對論的核心,有了它我們就可以看到其產生的相對論效應。我們現在做一個「思維實驗」,假設我坐在一個勻速運動的火車上,我在火車上拿一個手電筒,同時垂直的上方放一面鏡子,手電有一個感光接收器。我現在計時,記下光從手電打出來反射鏡子打回接收器所用的時間。同時另一個人在地上也做我這樣的實驗,我們一起記錄了時間。這時就是兩個觀察者從不同的角度去測量同一件事情的時間會有什麼差別

在火車上我們看到的光的傳播應該是一條直線,但是在地面上的人看到的光的傳播應該是一條折線那麼我們看上面的圖可以知道折線的長度一定比直線的長。剛才說過由於愛因斯坦的光速不變原理,不管我們在火車上還是地上,光的速度都應該是一樣的。那麼在地上的人計算的時間應該是折線距離除以光速,我計算的時間應該是直線距離除以光速。那麼結論出來了,在做同樣一件事情(計算光從發射器反彈鏡子到接收器),地上的觀察者他花費的時間要比在火車上的我花費的時間要長。也就是說我在火車上的時間要比地上你的時間流逝的更慢。這就是著名的鍾慢效應,這就是相對論中最著名的時間膨脹效應。

相信大家看了以後心裡一定久久不能平靜,相對於地面是運動的觀察者和地上相對於地面是靜止的觀察者,他們的運動狀態是不一樣的(一個在動一個不在動),他們在觀察同一個事情得到的結果是不一樣的。時間在這裡是一個「相對」的概念。所謂的相對論,就是在教導我們在描述任何一件事情的時候,都要說清楚是相對於誰來說的。真如北宋時期的大文豪所說蘇軾所說「橫看成嶺側成峰,遠近高低各不同」。這麼看中國的古人還是很有智慧的「天上方一日,地上已千年」。

小編剛剛拍下的火燒雲

這裡僅僅講述了愛因斯坦相對論的冰山一角,如此偉大的愛因斯坦在獲得諾貝爾獎以後依然對科學探索孜孜不倦的探索著,直至晚年將所有時間花費在了對物理學大一統的研究上,離開的前幾分鐘依然在證明著自己的理論。他也有落魄的一面,對自己的人生價值有過懷疑,在與妹妹書信中可以看到他也曾經想過放棄科學。正如現在一些985,211大學畢業的學生一樣,多年的寒窗苦讀以後,在畢業時很多人都對自己的人生產生了懷疑,但在人生在低谷的時候,我們不應該退縮,應更加的努力。愛因斯坦的人生也不是完美的,後世也找到了他理論的瑕疵,但是這些瑕疵讓他的人生更加豐滿。他是天才更是有血有肉的普通人,和芸芸眾生一樣有信仰,有追求,有自己窮盡一生都要堅守的夢

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    就必然有七情六慾,有成長的煩惱,面臨過親人同事的不理解,有失業落魄交不上房租的時候。愛因斯坦此舉,既有鬥爭,也有妥協,在鬥爭與妥協之中找到了那個微妙的平衡點。從此,他得以進入蘇黎世聯邦理工學院念書,為他日後成為科學巨匠打下了基礎。愛因斯坦的第二道坎,則是畢業即失業。愛因斯坦大學時並不是個三好學生,經常翹課,對此,他的老師韋伯頗有微詞,也就沒有為他寫推薦信。沒有老師的推薦信,這讓愛因斯坦找工作時屢屢碰壁,甚至連房租都交不上。
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    在許多人心目中,愛因斯坦是科學巨匠,世紀偉人,他必然有超高的智商,必然從小就是學霸,然後靠高智商一路平推碾壓,讀碩讀博,拿諾獎,成為大科學家。世紀偉人愛因斯坦然而,事實並非如此,愛因斯坦確實有超高的智商,然而他也是人,只要是人,就必然有七情六慾,有成長的煩惱,面臨過親人同事的不理解,有失業落魄交不上房租的時候。
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    上篇:《相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(上)》16不存在絕對運動馬赫對愛因斯坦創立狹義相對論的影響是非常巨大的。愛因斯坦在學生時代就讀過馬赫的《力學史評》,奧林匹亞科學院(大學剛畢業的愛因斯坦和幾位朋友創建的一個以科學和哲學的交界問題為主題的學習小組。
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    所以,愛因斯坦提出了狹義相對論之後,洛倫茲一方面對愛因斯坦的工作大加讚賞,另一方面卻依然堅持自己的以太,這是很多人難以理解的。在狹義相對論之前堅持以太就算了,怎麼狹義相對論都出來了,你還堅持以太?「不存在絕對運動」是一種根植於愛因斯坦靈魂深處的信念,所以他拒絕接受洛倫茲這種絕對靜止的以太。這是愛因斯坦和其他物理學家最大的不同,也是理解愛因斯坦創立狹義相對論的關鍵。
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    科學家們以量子理論和相對論為大梁,重新構建了新的大廈,定義了新的範式。100多年來,以數百位諾貝爾物理學獎獲獎者為代表的科學家們,在新的大廈裡精耕細作,有人仰望星空,有人探微窮細。最近幾年天體物理學領域的研究成果獲獎,非專業人士可能理解不了那麼多的名詞術語,甚至記不住科學家的名字。但是大家會發現一個熟悉的名字,愛因斯坦,在各個獲獎解讀的文章中熠熠生輝,正可謂:「愛翁大名垂宇宙,高山仰止仰彌高。
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    我們先講一下愛因斯坦從小成長的歷程,他出生在德國,在高中大學的時候其實並不是特別突出,而在1900年大學畢業以後一直到1902年這兩年的時間當中是處於失業狀態的,大家可以想像偉大的愛因斯坦也有兩年的時間是失業的
  • 專訪《相對論之路》作者:最早科普相對論的正是愛因斯坦本人
    書中呈現了愛因斯坦的完整論文手稿,以及由作者進行的逐頁科普闡釋,並講述了愛因斯坦如何從狹義相對論走向廣義相對論、這一標誌性論文手稿的意義以及它如何從柏林被移送到耶魯撒冷等內容。作為希伯來大學愛因斯坦檔案館的學術主任,哈諾赫曾經手過數以萬計關於愛因斯坦的一手資料。
  • 為什麼愛因斯坦的相對論沒得諾貝爾獎?是相對論的價值太低嗎?
    我們知道,愛因斯坦是一個偉大的理論物理學家,他曾因為解釋了光電效應,而獲得了1921年的諾貝爾物理學獎,但我們更加熟悉的,應該是愛因斯坦的相對論。奇怪的是,相對論卻沒有讓愛因斯坦再次得到諾獎,是因為相對論的價值不配得到諾貝爾物理學獎嗎?今天我們就來看一下。
  • 早一點這麼理解,愛因斯坦相對論也許沒這麼難懂了!
    愛因斯坦(狹義)相對論(1905年發表《論運動物體的電動力學》)剛提出那會,據法國科學家朗之萬說,全世界只有12個人知道什麼是相對論,何以至此?愛因斯坦自己是懂得的,而且深諳此道。曾被譽為「科學宮裡的哲人」。科學沒有認識論基礎,不可設想。
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    但是,洛倫茲對上述公式的理解是不正確的,而且洛倫茲認為存在以太和絕對空間,放棄了相對性原理。龐加萊在相對論發表之前,曾經猜測真空中的光速是一個常數,而且可能是極限速度。他還建議通過「約定」光速各向同性來校準兩地的時鐘。愛因斯坦看過龐加萊的有關文章,從他創建相對論的文章中不難看出龐加萊對他的影響。不過,龐加萊沒有認識到「光速不變原理」。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    理解了愛因斯坦堅信不存在絕對運動,就很容易理解對於洛倫茲1895年的那篇論文,為什麼愛因斯坦一方面對洛倫茲在那些「技術上」的處理非常滿意,另一方面又對洛倫茲的靜止以太假設非常排斥了。所以,他需要把新知識充分理解吸收,變成原來知識網絡的一部分之後才敢放心大膽的往前走。這種慢,跟愛因斯坦的「智力發育比較慢」頗有些類似之處。18相對性原理好,回到正題。