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?

2020-12-02 天文同好樂園

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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

  • 狹義相對論裡不可逾越光速極限是什麼?
    眾所周知,愛因斯坦的狹義相對論規定,真空中的光速是宇宙中一切物體運動速度的上限。根據狹義相對論公式,物體運動速度愈快,時間間隔愈大,空間間隔愈小,慣性質量愈大。假如物體運動達到光速,則運動物體時間將膨脹至無窮大,運動物體長度將收縮為零,運動物體慣性質量將達到無窮大。
  • 為什麼「洛倫茲變換」對「狹義相對論」來說是如此重要?
    我們知道狹義相對論裡面,描述一個物體當前的狀態有四個量(x,y,z,t),x,y,z當然就是長、寬、高,t是時間,所以一個參考系裡面,描述物體狀態就用這四個量。但是參考系可以多個,不同參考系下看同一個物體,這四個量有所不同。
  • 以太的否定,洛倫茲與龐加萊的困惑,狹義相對論誕生的前夜
    上一篇文章我們討論了「相對性原理」和「光速不變原理」,經過我們的討論,發現這兩個基本原理之間存在著不相容性,或者說它們之間是相互牴觸的,這篇文章就讓我們一起來聊一聊物理學家們是如何一步步解決這兩個基本原理之間相互牴觸的問題的、狹義相對論又是如何建立的!我們得先從「麥可遜—莫雷」實驗說起!
  • 如何理解狹義相對論
    狹義相對論的科普文汗牛充棟,但反相的奇文也不缺,為何會這樣?狹義相對論是一個刷三觀的好例子,因為相對論顛覆了人們粗淺的自以為是的經驗常識,人們在日常生活經驗中,通常會自然而然產生絕對時空觀,絕對時空觀認為時間與空間的度量與慣性參照系的運動狀態無關,同一物體在不同慣性參照系中觀察到的運動學量(如坐標、速度)可通過伽利略變換而互相聯繫。
  • 愛因斯坦的「狹義相對論」
    愛因斯坦提起愛因斯坦,可謂是家喻戶曉,但是關於他提出的「狹義相對論」,又有多少人知道呢?狹義相對論包含了兩個基本原理:狹義相對性原理和光速不變原理。所謂狹義相對性原理就是說所有物理定律在所有慣性參考系中都是有效的;光速不變原理就是說光總是以一個確定的速度傳播,傳播速度的大小與光源的運動狀態沒有關係。在經典力學中,物體的運動速度跟觀察者所處的慣性參考系統有關,而光速不變原理卻與之不相容。有了這兩條基本原理,我們才能更好地理解狹義相對論。
  • 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。
  • 相對論為何沒讓愛因斯坦獲得諾貝爾獎?
    提起愛因斯坦,很多人首先都會想到相對論。從研究對象來分,相對論一共分為2種:狹義相對論和廣義相對論。不過,它們都顛覆了現代物理學,直接催生出了量子力學,徹底奠定了現代物理學的基礎。一直到今天,愛因斯坦的很多「奇思妙想」,比方說多維時空、時空隧道等等,都被人廣泛的研究和討論。
  • 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。 空間簡化為一維的二維時空坐標由於時間和空間上的洛倫茲變換預示了光速是宇宙中的極限速度,所以當諸如火箭上發射火箭這樣的速度疊加不能再用經典理論裡的速度疊加,而要用狹義相對論的速度疊加
  • 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。後來,26歲的愛因斯坦提出了狹義相對論。有人說他高舉了奧卡姆剃刀原理才成功的,這個奧卡姆剃刀原理大意是:如無必須勿增實體。翻譯過來就是,咋簡單咋來。既然光速是不變的,那為啥還要假設「以太」?於是,愛因斯坦就以「光速不變原理」和「相對性原理」為基礎假設,推導出了狹義相對論。
  • 「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」。
  • 狹義相對論:時間膨脹
    愛因斯坦的相對論分成狹義相對論和廣義相對論兩部分, 其中狹義相對論主要是針對高速運動的物體的規則。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論
    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?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。那麼,我們不禁要問:為什麼愛因斯坦會如此堅信「不存在絕對運動」呢?如果這個事情這麼重要,為什麼其他物理學家不這樣想呢?要理解這個事,我們需要先理解為什麼之前大家基本上都認為存在絕對運動?
  • 一口氣通俗理解《狹義相對論》時間膨脹效應
    大家都知道是圓的,那請再思考一下,為何馬路如此平坦?早期人們認為地球就是平坦的,因為在古人的視野中,所觀察到的地球曲率微不足道,除非通過精密的儀器來測量。《狹義相對論》也是如此,因為在日常生活中,我們所接觸的一切事物,如果利用《狹義相對論》來計算更精確,但是與我們原本的常識之間的誤差,更加微不足道,除非利用更加精密的儀器,否則你要突然蹦出來一句「時間是相對的,我的時間比你走得慢」,肯定分分鐘讓吐沫淹死。實際上狹義相對論並非難以攀登,就是一層窗戶紙,捅破了也就破了。
  • 狹義與廣義相對論淺說---廣義相對論1
    歡迎廣大宇宙愛好者持續關注我們微信平臺!宇宙解碼公眾平臺即將推出科幻故事連載活動,將會在每周六或周日發布一篇精選科幻故事,覺得好看就分享給朋友吧!如果他鬆手放開原來拿在手裡的一個物體,箱子的加速度就不會再傳到這個物體上,因而這個物體就必然作加速相對運動而落到箱於的地板上,觀察者將會進一步斷定。物體朝向箱於的地板的加速度總是有相同的量值。
  • 顛覆世界的認知——狹義相對論
    顛覆世界的認知——狹義相對論 科學的發展經歷了很長的歷史,這其中誕生了很多的經典,19世紀的曾出現了兩篇偉大的的論文,一篇是普朗克的《論正常光譜的能量分布定律的理論》,另一篇是愛因斯坦的《論動體的電動力學》,前者開啟了量子物理學的大門,後者開啟了相對論的大門,相對論之於物理學的重要性,好比達爾文的生物進化論之於生命科學
  • 愛因斯坦的質能公式與狹義相對論自相矛盾嗎?
    質能方程與狹義相對論並不矛盾,因為質能方程的基礎就是狹義相對論,或者說我們可以從狹義相對論出發推導出質能方程,既然如此,又何談自相矛盾一說呢?狹義相對論的兩大基本原理是:光速不變原理和狹義相對性原理,由此可以推導出狹義相對論的核心——洛倫茲變換,而有了這個變換之後,狹義相對論的一切推論就有了基礎,比如著名的時間膨脹、量尺縮短、質量增加等等其中題目說的質能方程也是它的推論,最早是發表於《物體的慣性取決於它的能量含量?》一文,時間是1905年9月。
  • 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?
  • 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。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    這樣,以洛倫茲協變性為核心的狹義相對論就正式誕生了。23狹義相對論很多人看的相對論科普書和教材的邏輯是這樣的:從開爾文著名的兩朵烏雲引出麥可遜-莫雷實驗,然後說這個實驗「否定了以太,證明了光速不變」。
  • 陳嘉映談普遍主義與相對主義:我們要如何理解他者
    世界人,他也是作為一種個殊者,一種特殊的信念,特殊的一套觀念,進入到我們相互之間的理解和鬥爭之中去。我們現在回到普遍性,黑格爾等認為普遍性是某種抽象層次,比如我作為一個中國人,中國人是我們14億人共同點抽象出來的,在中國人下面當然還有好多抽象的,比如說我是海澱區人,北京人,北方人。這些普遍性就是抽象層次不同,抽象層次越高就越普遍。