宇宙的終極秘密~「狹義相對論」

2021-02-18 縱橫論天下

   義大利物理學家伽利略.伽利雷最早提出,速度與速度可以相加或者相減,就是說在乘坐在一輛運動中的馬車裡,向前進方向投出的球,與向馬車後方投出的球的速度,是要減去或者加上馬車的運行速度後,才是靜止觀測者所觀測到的球的本身運動速度。

   這個定理,被稱為:「伽利略速度相加定理」。

   之後,物理學家艾薩克.牛頓在總結物理學運動的規律的基礎上,引進了「伽利略速度相加定理」,創建了「牛頓力學」。

  時間進入十九世紀後,英國物理學家詹姆斯.麥克斯韋,成功的將電磁學定律用一組數學方程式表達出來,建立了「麥克斯韋方程組」,並根據該方程組推論出電磁波在真空中的傳播速度,為每秒三十萬公裡,就是說光在真空中的傳播速度為每秒三十萬公裡。

 

   不過,麥克斯韋方程組並沒有說明,光的每秒三十萬公裡的速度是以什麼為基準(參照物)的。

  之後,阿爾伯特.愛因斯坦提出:「電磁波原本就沒有速度基準,無論用什麼基準來看(對以任何速度運動的人觀測光得運動來說),光速都是相同的。」,這種觀點被稱為「光速不變原理」。

  愛因斯坦發現,自己的「光速不變原理」,與伽利略的「速度相加定理」有著巨大的矛盾,無法同時成立。

  為了解決這一矛盾,愛因斯坦以光速不變原理為基礎原理,提出時間的流逝速度、物體與空間的長度(距離),會隨著觀測者所處的位置不同而變化。

   也就是說:時間與空間並不是絕對的,而是相對的,因觀測者所處的位置而不同,根據這個觀點,愛因斯坦推導出:「物體的運動速度越接近光速,空間收縮的效應應越明顯,時間流逝的越慢。」~這就是「狹義相對論」。

   

  狹義相對論認為,時間與空間不是各自獨立伸縮的,而是同時伸縮,自從狹義相對論出現後,時間與空間就因聯動而被認為是一體的,開始被統稱為「時空」,因此可以說,我們的世界是由三維的空間與一維的時間作組成的「四維時空」。

  在愛因斯坦提出狹義相對論之前,物理學界一直認為,如果給球持續注入能量,球可以永無止境的加速運動下去。

  而狹義相對論認為,即使持續給物體注入能量(物體被不斷加速),其運動速度都不可能超過光速~「光速」是自然界中最大的速度。

  無法超過光速,也就是說,物體的運動速度越接近光速,越難加速,就算不斷注入多少能量也都是不行,那麼,注入進去被加速物體中的能量去了哪裡?

   答案是,這些能量變成了「質量」,所以往接近光速運動的物體裡注入能量越多,這個物體的質量就越大,無論注入多少能量,這個物體永遠達不到光的速度。

   基於這一觀點,愛因斯坦推導出著名的質量與能量的轉換公式:E=mc2(2是指平方),其中E代表能量,m代表質量,c代表光速,之前物理學界,一直認為質量與能量是兩個毫不相干的要素,在質能公式中,藉助於常數c,質量與能量被聯繫到了一起。

   狹義相對論完美的解釋出太陽發光的原理,太陽的中心主要由氫構成,核心溫度1500萬攝氏度,壓力相當於2500億大氣壓,是個超高溫、超高壓的環境,在這種環境中,四個氫原子核發生猛烈撞擊,合併為一個氦4原子核,這一反應被稱為「核聚變反應」。

   四個氫原子核聚變為一個氦4原子核後,質量減少大約百分之0.7,根據質能轉換公式,減少的質量轉換成能量,這就是太陽能在幾十億年持續不斷的燃燒、釋放巨大能量的原因。

  組成我們宇宙和我們的是原子,原子由電子、質子、中子組成,質子和中子由夸克組成,分為上夸克和下夸克。

   電子、上夸克、下夸克都是基本粒子,不可再分割。

  上夸克的質量大約為電子的五倍,下夸克的質量大約為電子的十倍,質子有兩個上夸克和一個下夸克組成,那麼質子的質量應該是電子的二十倍(5+5+10),而實際上,質子的質量是電子質量的1850倍。

  就在說,一個質子內夸克的質量僅佔質子質子的大約百分之一,那麼質子其實百分之九十九的質子來自哪裡?

   質子其餘百分之九十九的質量來自誇克在質子內運行的能量,作用在質子內部的力,叫做「強相互力」,簡稱「強力」,質子內的三個夸克以接近光速的速度運動,作用於質子內部的「強力」牢牢的把三個「夸克」束縛在質子尺度內,三個高速運動的夸克無法彼此分開,於是以「質子」的形式存在。

   夸克被強力束縛在一起的同時,也在高速運動,因此,質子中不僅有來自強力的能量,還有高速運動的夸克自身的動能,根據狹義相對論的質能轉換公式,這些被束縛在質子中的能量,的外在表現為質子的質量而被測量到,百分之九十九的質子的質量都是由這些能量轉化而來。

  2012年,歐洲大型強子對撞機(LHC)發現了一種新的基本粒子,就是被稱為上帝粒子的「希格斯粒子」,這一發現,在2013年獲得諾貝爾物理學獎。

  而歐洲大型強子對撞機的運行原理,就是把「能量」轉化為「質量」,用能量創造出新的基本粒子。

  把1克質量的物體加速到光速的百分之99時,這1克的物質被觀測到的質量大約為7.1克,當歐洲大型強子對撞機把1克物質加速到光速的百分之99.9999991時,這1克的物質的表觀質量為74500克。

 

   當被加速到如此高速的物質在對撞機內撞擊時,撞擊時的能量將生成質子中原本沒有的基本粒子,並使其四處飛散,被探測器捕捉到其飛行軌跡、物理表現,加以計算、分析,對照預測的各種基本粒子的物理表現,判斷出製造出了什麼新的基本粒子。

狹義相對論為我們人類探索我們的宇宙最終極的秘密,提供了理論方法。

「狹義相對論」與「廣義相對論」,統稱為~「相對論」。

「相對論」與「量子力學」並稱為現代物理學的兩大基石。

說到這裡,謝謝大家。

(物理科普系列,還會繼續,讓我們一起了解宇宙的終極秘密。)

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    1905年,愛因斯坦完成了狹義相對論,但是對其結果並不太滿意,原因是愛因斯坦無法將牛頓提出的「萬有引力」納入狹義相對論的框架之中。
  • 你能聽懂的狹義相對論
    前2篇簡單講了下黑洞,今天我們來談談相對論,不得不說老愛太牛逼了。1905年,愛因斯坦發表了狹義相對論,十年後又發表了更牛的廣義相對論,至今已有100多年了,但是他的理論還是讓人難以理解。說狹義相對論之前,先說說幾個物理學牛人。
  • 狹義相對論到底偉大在什麼地方?
    前面我寫了有關於愛因斯坦的狹義相對論相關文章,其中狹義相對論到底偉大再哪裡呢,今天談談這個問題。這就要從最開始的牛頓力學說起。首先牛頓創建了運動三定律和萬有引力定律,基本能把世界上所有當時能發現的運動涵蓋進去了,所以才會有科學家斷言:牛頓力學就是萬物的終極真理。但是當時有個問題一直未能合理解釋,一個就是光在真空當中測量數值一直是299792458m/s,簡稱光速不變。這裡我需要再次說明,這裡說的光速不變指的是啥?
  • 狹義相對論到底是什麼意思,給大家一個具體的解釋,幾分鐘就明白
    愛因斯坦是一個我們都十分熟悉的著名科學家,可以說愛因斯坦讓我們看到了一個真實的宇宙,將以往人類的宇宙科學全部的顛覆了過來,特別是愛因斯坦的狹義相對論,給我們帶來一個全新的認知。所以了解狹義相對論是了解,我們現在這個世界科學技術的一個最主要的知識,因此美女小倩給大家一個具體的解釋一下,但是因為個人的知識水平有限,如果大家覺得美女小倩的解釋有偏差,希望能夠批評指正。
  • 什麼是相對論?愛因斯坦到底破解了什麼秘密?
    狹義相對論被理解起來比較簡單一些,據說即使沒有愛因斯坦的存在,再過二三十年,狹義相對論也會出現。但如果沒有愛因斯坦,廣義相對論將不會在幾個世紀內出現。也就是說,僅憑愛因斯坦一個人,他就提前把原本幾個世紀以後才有的科學理論帶到了人間。可見愛因斯坦的天才程度。
  • 「探索」漫談光錐之內是命運的狹義相對論
    因為理論源於思想家們對宇宙法則的推理,同時論證於嚴密的數學甚至哲學邏輯。在很多超前的理論裡面,有個玄乎其玄的理論,就是我們的愛因斯坦爺爺提出的狹義相對論。很多人都聽過「狹義相對論」這五個字,但鮮有人知道到底什麼是「狹義相對論」。
  • 為什麼愛因斯坦狹義相對論中的光速不能被超越?
    在宇宙中,物體(能傳遞信息)最快的速度是光速,而且物體速度在光速的情況下,會發生很多神奇的事情,比如物體的速度達到光速,時間就會停止,按照狹義相對論的說法,任何有質量的物體都無法達到光速,只能逼近光速,更是不可能超光速。那麼速度的上限就是光速了嗎?
  • 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。但是,如果你以為這就是狹義相對論的核心,那就太膚淺了。大家看看這篇和上一篇文章,你會發現都是圍繞相對性原理來的,上面我也說了狹義相對論的核心就是洛倫茲協變性。
  • 相對論提出全新時空觀,是否就是宇宙的終極奧義?
    相對論和量子理論是近代物理的兩大理論支柱,同時現代高新技術的理論基礎。相對論是一個關於時間,空間和物質運動的理論,分為廣義相對論和狹義相對論。而宇宙中是沒有默認的參考系的,我們需要自己建立參考系,這就涉及到不同參考系的變換。假設參考系S1相對S的速度矢量為v(本文中粗體代表矢量),一個物體在S1中運動速度矢量為v1,那麼,這個物體在S中的速度矢量就是v+v1,注意這是矢量和,不是簡單的加法運算。
  • 宇宙最快星系,遠離速度達2.3倍光速,為什麼它沒有違背相對論?
    相信很多朋友都知道相對論,它是愛因斯坦提出的最偉大的物理理論,也是人類科學史上最偉大的一個基礎理論。相對論讓我們對空間,時間,宇宙有了更新的認知。相對論一個偉大的理論,對人類的影響是深遠的,而人類目前對相對論的應用和理解還只是皮毛。
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    為回答這些問題,我們必須深入探究愛因斯坦的狹義相對論。這就是為什麼狹義相對論為永恆論提供了最具說服力的一種論據。有趣的是,愛因斯坦最初發表狹義相對論論文時,並未提出應該把時間想像成塊體宇宙的第四維。是愛因斯坦在蘇黎世的教授,赫爾曼·閔可夫斯基(據說他認為,愛因斯坦在學生時代是條「懶狗」)最早理解了狹義相對論對時空關係給出的激進暗示。
  • 其實在中學物理課本上就學過狹義相對論了
    愛因斯坦對於我們絕大部分人來說,狹義相對論晦澀難懂,稱其為天書也不為過。1905年,天才的愛因斯坦發表了狹義相對論,徹底地改變了我們對空間和時間的認知。晦澀難懂的公式愛因斯坦描繪了一幅宇宙的奇特新圖景,在這裡,觀測者會發現運動著的時鐘會慢,運動的尺子會縮短,而運動著的物體質量會變大。
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    相比起艱澀難懂的廣義相對論,愛因斯坦在 1905 年提出的狹義相對論其實並沒有像我們想像的艱深,那麼狹義相對論究竟講的是什麼呢?今天我就用通俗易懂的方式帶大家了解一下!狹義相對論提出的背景1687 年,牛頓發表了《自然哲學的數學原理》,標誌著經典力學的建立,牛頓經典力學在很長時間裡都成為了物理學家心中的聖經與權威。
  • 通俗的解釋愛因斯坦相對論到底說的是什麼?
    相對論包含兩個不同的元素:廣義相對論和狹義相對論。狹義相對論首先被介紹,後來被認為狹義相對論是更全面的廣義相對論的特例。廣義相對論是阿爾伯特·愛因斯坦在1907年至1915年間發展起來的一種引力理論,1915年之後,許多人為驗證廣義相對論做出了貢獻。
  • 為什麼狹義相對論理解起來很困難?本徵和非本徵有啥區別?
    關於狹義相對論,裡面其實有很多概念需要明白,如果不明白就會出現理解一些運動的物理過程,變得十分困難,其中有兩個概念必須要懂:本徵時間和本徵長度,當然也對應非本徵時間和非本徵長度。什麼是本徵時間和本徵長度的,就是這個物體靜止時花費的時間和物體的長度。
  • 相對論告訴你時間與空間的關係
    狹義相對論認為空間和時間並不相互獨立,而是一個統一的四維時空整體,並不存在絕對的空間和時間。在狹義相對論中,整個時空仍然是平直的、各向同性的和各點同性的,這是一種對應於「全局慣性系」的理想狀況。狹義相對論將真空中光速為常數作為基本假設,結合狹義相對性原理和上述時空的性質可以推出洛侖茲變換。