其實,經典物理學和相對論之間有一個很本質的區別,那就是對於時間和空間、物質和能量的看法不同。因此,有人也把牛頓的那一套叫做牛頓機械世界觀,而相對論也被叫做愛因斯坦的世界觀。
這兩個世界觀中,牛頓的機械世界觀是很符合我們的直覺的,所以,我們也會毫無察覺地就開始使用。為什麼這麼說呢?
其實,我們要搞清楚一點,那就是我們是生活在宏觀低速的世界裡。而牛頓的理論其實就是在描述人肉眼觀測和低倍望遠鏡觀察到的世界。那種速度超級快,引力超級大的世界,在牛頓的年代,人類還沒有能力去觀測到。所以,牛頓總結的這一套理論,說白了,我們可以叫做人類生活中的物理學,因此它很符合我們對於世界的看法,我們也會用得自然而然。最明顯的例子就是「速度疊加」,假設一個小人在車上以5m/s的速度沿著車子運動的方向運動,而車子的速度是10m/s,這時候如果問,如果有個地面觀察者,那麼在他的眼裡,車上的人的速度是多少?我們很容易就會直接拿10+5=15m/s。
這看起來似乎沒有什麼問題,但實際上,我們忽略了一個假設,其實牛頓就是這麼假設的,那就是運動的物體對於時間和空間是沒有任何影響的,在牛頓的世界觀當中,時間和空間是剛性的,獨立的,對於任何一個參考系下的人來說,一米就是一米,一秒就是一秒。
這其實似乎也是很符合我們的常識。但是,還是那一句話,其實我們生活在宏觀低速的世界當中,我們以為這一切就是這樣的。這就好比井底的蛙,只能看到一片天空,就以為天空就是這樣的是一個道理。
所以,這時候就需要用到相對論,如果還是拿井底之蛙來舉例子,相對論的意義在於讓這個井口變成了一個超級大的坑,讓我們可以看到更廣闊的天空,知道關於天空更多的事情。不過,這裡要強調一下,原來的井就包含在這個坑當中,也就是說,其實相對論也同樣適用於宏觀低速,其實也一直流傳著這樣一句話,牛頓理論是愛因斯坦相對論在宏觀低速下的一個近似。還拿小車的事情來看,如果還是問,地面觀察者看到的車上的人的速度是多少?其實相對論也有一個速度公式:
把數帶進去一算,你就會發現,約等於15m/s,和牛頓理論算出來的是一個數,但是其實還有微小的差異的,這個差異在小數點後15位,這也就是為什麼,我們感覺在宏觀低速下,牛頓理論精確無比的原因,這位這個誤差,比絕大多數的儀器都還要小。為了驗證相對論的正確與否,其實科學家就找到了一個可以檢測到小數點之後15位的銫原子鐘,來測飛機運動時和地面參考系觀察者的時間差。
所以,我們說牛頓力學是相對論在宏觀低速下的一個近似一點問題都沒有。那接下來,我們再說說,如果兩個飛船以光速相向飛行或者背對飛行的情況。這裡強調一下,在相對論中,其實有靜止質量的物體,是沒有辦法達到光速的,根據相對論,這需要無窮大的能量。
這裡我們就假設可以,那結果是什麼樣呢?其實,首先是相對論失效了。因為這會破壞相對論的基本假設,不過,我們就當沒有破壞,相對論還成立,那用到的公式還是剛才那個速度公式。
你會發現,還都是光速,而不是兩倍光速。當然,如果你用牛頓力學,那就會得出2c的結果。這其實就是為什麼,我們說牛頓力學只適用於宏觀低速,到了高速下,它的誤差會非常大。除此之外,其實在引力大的地方,牛頓力學也會誤差很大。
因此,我們說,在接近於光速時,我們需要使用的其實是相對論,而不是牛頓力學,也不要把牛頓的世界觀帶入到理解相對論當中來,因為那樣你會根本無法理解相對論到底在說什麼。這是因為相對論的世界觀和牛頓的世界觀是不同的,在相對論中,時空是相互影響,並不是獨立的,而且時空是可以彎曲的,會受到運動的影響。說白了,就是一釐米或者一秒對於不同參考系下的人可能就不同。
因此,狹義相對論才會有很多,我們不太好理解的現象,比如:時間膨脹效應。說的是相對於慣性參考下高速運動的物體,時間會發生膨脹。這裡多強調一下,無論是相對於誰,時間流逝都是均勻的。只是在參考下的觀察者看到的了高速運動的物體時間變慢了而已。這是在時間方面的體現。
同樣的,空間也存在這樣的問題,相對於慣性參考下高速運動的物體,尺度會縮短,這就是尺縮效應。
比如:下面第一張圖就是0.1c;第二張圖就是0.8c;最後一張圖就是0.95c。這裡的c指的就是光速。
而這些結論,其實都是通過伽利略變換和光速不變原理推導出來的結果,由此,科學家也發現一個問題,那就是其實光速是時空的一種屬性。描述了任意兩個事件之間的時空間隔。
比如:上圖中在過去光錐中的事件A就會影響到事件B,但不在光錐中的事件D是影響不了時間B的。舉個簡單的例子,我們照鏡子,永遠只會看到過去的自己,這是因為光傳輸信息是需要時間的,你的臉反射光都鏡面,再反射到你的眼睛裡是需要時間的。所以,實際上,我們並沒有活在當下,我們的當下受到過去的影響,我們的當下也影響著未來。