時間的形狀系列二:愛因斯坦到底用「光」做了什麼?

2021-01-08 楓評

這次小楓給大家帶來的仍然是《時間的形狀》,主角嘛,當然是愛因斯坦,想不想知道平時說的時間變慢、時間靜止是怎麼一回事?為什麼《三體》裡一個小小的粒子就能 射炸 三體星球?我們就一起往下看吧~

在頭腦風暴前,我們先給個結論:光速不變定理,即光速相對於任何參考系的速度是不變的。你可能會說:什麼?那我乘個飛船,在飛船上雷射燈一照,那光速不是輕輕鬆鬆超過c嗎?別急別急,就讓帥哥愛因斯坦與你一起思考(當時愛因斯坦才26歲,妥妥帥哥一枚)

愛因斯坦想:如果我在以速度V的車上射速度U的箭,那箭的速度不就是V+U嗎,到光這裡為什麼不適用了呢?等等!相對於光速,我們身邊的任何速度都太慢了,為什麼我們要一廂情願地吧低速世界的結論放到高速世界呢,對,果斷地放棄舊觀念!

01同時性的相對性

看這張圖,設定為:A、B兩點有鏡子,你必須通過鏡子看閃電傳來的光,且閃電同時擊打在A、B兩點,擊打的同時你在中點。好了,如果你在鐵路旁,那麼你能同時看到鏡子傳來的閃光,但如果你在車上,當閃電同時落在A、B兩點時,你在中點,但閃電還沒傳過來,又前進一小段距離後,你才看見,也就是說,其實你看A、B兩點的光已經有先後順序了,說明「同時」也是相對的。你發現,本來如果在路旁就是同時發生的事情,到車裡就有先後了(看到光),這不就說明,不指名參考系,說一件事情是同時發生就沒有意義了,這更加說明時間本身就不是絕對的,具有同時性的相對性。有點懵?沒關係,接下來你馬上就會清楚地理解平時說的時間變慢靜止是怎麼一回事。

02時間會膨脹,空間會收縮?

這是個光子鍾(好像有點簡陋),假設其中有個光子,在鏡子中來回振動,10億次為1秒,如果放在地面上的話,很正常,不過把你和鐘關在宇宙飛船裡,那就很不一樣了……

看,當地面上光子鐘的光子來回倒騰時,飛船從A飛到了B,我在地面上看,你的鐘走了斜線,說明什麼?當然是光子走的路線長了唄,我的光子來回一次的時候,你的光子還沒完成一個來回,我的倒騰10億次,你的可能只倒騰了5億次。也就是說,你在飛船上的時間過得比我慢!喔,是不是很震驚,果然時間是相對的(果然這樣解釋起來簡單),根本沒有絕對統一的時間流逝一說!空間就不舉例了,小楓獻上三個公式(肯定不會推導啦,我又不會~)

第一個就是時間膨脹,第二個是空間收縮,第三個嘛,你記不記得開頭說飛船上開雷射燈,光速超不過c?這就是愛因斯坦推導的速度合成公式(所以低速基本沒影響,高速的話即使u、v代入接近c的速度的最終也超不過光速)

03一顆小粒子,炸掉一顆星

就是這公式,想想如果一個物體速度達到光速,質量不就趨近於無窮大嗎,再乘上光速,想想就可怕,啪!

三體星球就這樣沒了……

這個公式再加上動能公式(很複雜的計算後),就得到了人人皆知的E=1/2mc^2!,人們總說愛因斯坦是偉大的核物理學家,其實造原子彈真沒他什麼事,他就沒參與,就算沒這個公式,也照樣能造出來,只不過公式驗證了原子彈的驚人威力,嘿嘿。

下一期小楓將繼續與你探索相對論的神奇之處,不可思議的故事和風景,如果感興趣的話,就關注一下吧~

相關焦點

  • 微觀粒子發現史之二:愛因斯坦發現了光
    人們對光的認識很早,什麼折射定律反射定律了,都早早就知道了,當然了還有墨子的小孔成像,這其實就是光的直線傳播,不過這些還都是光學現象的應用,並沒有說光到底是什麼。赫茲就繼續換,直到換成石英板才消除了這種影響,這到底是為什麼呢?赫茲分析了電磁波的波長,最後發現是紫外線影響了實驗,就是說石英板會放過紫外線,而其它遮擋物會吸收紫外線,從而影響實驗效果。這有點令人費解了,赫茲發布了實驗結果,卻沒有做出解釋。物理學家們對這個現象激發了濃厚的興趣,又做了一系列的實驗,更神奇的結果出現了。
  • 光到底是什麼?這個問題讓愛因斯坦對量子力學都產生質疑
    不過這些古人看到的仍然是光的特性,而沒有解決光本身到底是什麼。1801年英國科學家託馬斯·楊又做了一個簡單的雙縫實驗,為波粒鬥爭暫時定了一個休止符,他的結論是光既是粒子又是波,光一個具有波粒二象性的東西或者說一種以波形運動的粒子,這也是我們現在課本中學到的關於光的最終結論。但是這並不是科學的最終結論,為什麼光是一種波?這一點似乎無法理解,因為過去科學家所發現的波是需要介質來傳播的,比如聲波必須依靠空氣、水等介質來傳播,在真空中就無法傳播。
  • 光到底是什麼?
    光是什麼,這個問題從近代物理開始一直困擾著人們。發展至今共有三次大的爭議和討論。首先是以牛頓為首的粒子派,認為光是粒子,可以發生反射,並且在真空中傳播不需要介質,很科學的解釋了光的現象。後來又有科學家通過雙縫幹涉實驗證明了光會發生衍射和幹涉,這是波才具有的性質,因此對於光的討論又陷入了僵局。
  • 愛因斯坦為何是最偉大科學家,他到底做了什麼?
    愛因斯坦做了什麼?阿爾伯特愛因斯坦是一位物理學家,也是一位數學家,也是近代最偉大的思想家之一。你可能會問,愛因斯坦發明了什麼?他的理論讓科學家們理解了新的觀察能量、物質、重力、空間和時間的方法。愛因斯坦的8個成就所有的發明、研究工作或發現都落在了愛因斯坦的成就之下,他的貢獻幫助了科學家們,進一步學習知識和取得進步。
  • 光的本質之光到底是什麼?
    光可以說是所有基本粒子中最具特色,最神奇的一種。沒有光,我們眼中的世界就會漆黑一片,整個宇宙的物質構架都會崩塌。光是什麼,是人類一直追尋的謎題之一。牛頓發現了光等等色散現象,如果用一個稜鏡對光進行分解,我們就可以神奇地得到彩虹!這人牛頓覺得光就像不同的顏色顆粒一樣,混合在一起就是白光,通過稜鏡之後就可以再次分解為不同顏色的微粒,從而呈現出橙紅綠青藍紫等彩虹顏色。牛頓的這種微粒說,還可以很好地解釋光的發射、折射等現象。鑑於牛頓巨大的影響力,幾乎當時所有的科學家們都接受了光的微粒說。
  • 愛因斯坦發明了什麼,愛因斯坦到底有多厲害?
    對於愛因斯坦在科學界的貢獻,大家可能有很多意見,但對於他在科學界的排名應該意見不大,第一位不是牛頓就是愛因斯坦,這幾乎成了大家公認兩位最偉大的科學家,也許有朋友也會在第三名排上麥克斯韋,但愛因斯坦到底做了什麼,他最偉大的成就到底是哪一項,也許各位還不一定說得出來!
  • 什麼是相對論?愛因斯坦到底破解了什麼秘密?
    在愛因斯坦生前,他就因創造了相對論而家喻戶曉。他所到之處,全世界都颳起了「愛因斯坦旋風」。但是當時的民眾對什麼是相對論並不了解。甚至是一些學術人員也是霧裡看花。有一次,愛因斯坦被邀請到加州大學演講,下面坐了一圈他的粉絲,都是大學生。大學生們就問愛因斯坦,據說相對論非常的晦澀難懂,您能不能簡單地描述一下它到底是什麼意思?
  • 宇宙到底是什麼形狀的?為何愛因斯坦說我們看到的全是假象?
    按照科學家們的介紹,自從誕生後,宇宙始終都處於不斷成長膨脹的階段,如今宇宙中的各類天體更是多到數也數不清,那麼,宇宙究竟是我們潛意識裡的一個圓形,還是其它我們想不到的形狀呢?讓我們一起看看科學家們是如何推測的!
  • 光的本質是什麼?什麼是波粒二象性?
    光的本身是電磁波,電磁波根據波長也有好幾種,比如微波、無線電波、紅外、紫外、X射線。光就是電磁波,電磁波就是光。波粒二象性:關於光到底是粒子還是波經過了很長時間的論戰在愛因斯坦之前,最終波動說佔了上風,微粒說基本上被踩在了腳底下。
  • 愛因斯坦的「光電效應」是什麼?人類在探尋光的本質上從未間斷!
    我們生下來看到的世界都是光明的,光或許因為是司空見慣的,所以讓許多人都忽略了它的存在。但關於光的本質是什麼?是最近幾百年來人類一直追尋的問題,直到現在,並未間斷過。從幼稚到成熟,人類對光的認識可以算的上是一部大戲劇!
  • 黑洞是什麼形狀的?
    黑洞通常也被認為是一個球體,其實這是以它的視界體積來說的,也就是光在黑洞周圍無法逃脫黑洞引力的邊界,由於黑洞也有著引力的各向均衡性,因此它的視界體積也被認為是一個球體,然而如果以黑洞實體來說的話,我們是說不清它到底是個什麼形狀的。
  • 光的波粒二象性
    關於光是粒子還是波的爭論由來已久,甚至可以追逆到科學最初萌芽的時候。艾薩克 •牛頓提出了光的粒子理論,而詹姆斯•克拉克•麥克斯韋的電磁學理論認為光是一種波。到了1905年,爭論出現了戲劇性的變化,愛因斯坦提出光是由稱為「光子」的粒子組成,藉此解釋了光電效應,他也因些獲得了諾貝爾物理學獎。
  • 物理學的革命,愛因斯坦的光量子論的產生,以及光的波粒二象性
    在著手寫狹義相對論論文前的三個月,他寫了一篇題為《關於光的產生和轉化的一個推測性觀點》的論文,闡述了這一觀點。由於這一觀點同十九世紀已取得絕對勝利並為大量實驗所證實的光的波動論和麥克斯韋的電磁理論是完全對立的,愛因斯坦在當時意識到這篇論文是「非常革命的」。
  • 《時間的形狀:相對論史話》科學有故事,一本人人都能讀懂的相對論
    時間的確是滑不溜手,難以捉摸,一分一秒都不肯多留。說到時間,就不得不提愛因斯坦的相對論。繼風靡全球的《上帝擲骰子嗎?》掀起物理熱潮之後,由時代華文書局牽頭,汪潔全新力作《時間的形狀:相對論史話》應運而生。一經上市,受到眾多讀者熱捧,書中不僅詳細闡述了相對論,更為讀者打開了一個全新的宇宙觀,與《上帝擲骰子嗎?》共稱國內科普兩大經典。
  • 宇宙究竟是什麼形狀?愛因斯坦認為宇宙「有限無邊」,是否正確?
    宇宙是一個不斷膨脹的時空, 在人類的認知和理解中,宇宙的概念在不斷的變化,從地球到太陽系,再從太陽繫到銀河系,人類認知中的宇宙空間在不斷的膨脹和擴大,那麼宇宙到底是什麼形狀的?面對地球人類還存在這麼多的疑惑,想要找出宇宙的形狀,可能嗎?宇宙源自一場「奇點爆炸」,為什麼會發生這場爆炸,在爆炸之前時間和空間是否存在?這些問題對於人類來說無法理解,在這裡大家也會發現,奇點爆炸的理論和盤古開天有些類似,但是在古代人的眼中,我們腳下的大陸是宇宙的主體,漫天的星辰只是點綴。
  • 愛因斯坦說的「上帝不會擲骰子」是什麼意思?
    我們要搞清楚一點,那就是光的速度可不是低速,甚至光到底是啥也很難說得清楚。伽利略就曾經試圖測光速,然後他失敗了。也就是說在牛頓的時期,光速到底是多少還跟迷一樣。其次光到底是啥,實際上那個時代的科學家也沒啥好的想法來驗證。驗證不了,不代表不能提出理論,牛頓認為光是一種粒子,惠更斯等人認為光是一種波。
  • 愛因斯坦說:時間並不存在,人類其實是被記憶欺騙了!什麼意思?
    這明明說的是速度和時間有什麼關係呢?我們做一個思維實驗:假設愛因斯坦說的不對,信息可以超光速,水波(有質量的物體)可以超光速。一隻恐龍站在水池邊,有人朝水裡扔了一塊石頭,恐龍眼睛開始接收信息。階段一:有人往池子中扔石頭。階段二:石頭觸水一瞬間,水波以兩倍光速向岸邊擴散,而石頭觸水信息同時以一倍光速向外擴散。
  • 遲到的科普:光的波粒二象性
    在之前講光速的測量的時候冷言曾經講到過光的波動性與光的粒子性,也就是光的波粒二象性這個概念。那個時候主要講的是光速的測量關於光的波粒二象性沒有具體講,所以今天具體講一下光的波粒二象性是怎麼一回事?光的波粒二象性簡單的講就是:光具有波的特性又有粒子的特性。光的波特性主要是從光的幹涉和衍射上反映的。
  • 時間的形狀
    生活在21世紀的我們,被鐘錶包圍著,只要我們想看時間,抬頭就可以看見掛在牆上的鐘,低頭就可以看到手中的手錶或是手機。那麼,看時間這件事是從什麼時候開始的呢?我們為什麼無時不刻的要知道所謂的準確的時間呢?
  • 那個偷走「愛因斯坦大腦」的人,用23年時間,究竟研究出了什麼
    同樣都是人,為什麼愛因斯坦就如此的優秀,他的大腦到底和我們有什麼不一樣?有位哥們做了這件事,雖然行為不端正,但卻也揭露出了愛因斯坦的大腦與我們的差別到底在哪。那到底是誰做了如此殘忍的一件事呢?,他像著魔一般的說到:「天才的大腦可不能用去焚毀,那是損失,如果用來研究,或許能從中找到打開人類頂級智慧的鑰匙」