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內容簡介

目錄

詳細資料

阿爾伯特·愛因斯坦的相對論相信無人不知無人不曉，根據它還推測出了一些非常有趣又奇怪的現象，比如你乘坐一枚火箭飛馳而過，而你的朋友乘坐的是一模一樣但速度慢的火箭，你會看到你朋友的手錶走得比你慢。 它顛覆了幾個世紀以來的科學，讓物理學家對空間和時間有了新的認識。艾薩克·牛頓認為空間和時間是固定的，但在狹義相對論和廣義相對論提供的新圖景中，它們是流動的、可塑的。 ...... 不過，如果拿起愛因斯坦1905年發表的關於狹義相對論的原始論文，你會發現這是一本很簡單的讀物。他的文字簡潔明了，他的方程大多只是代數，一個普通的高中生都能看懂。 這跟愛因斯坦追求「簡單的數學」有關係。他喜歡形象化地思考，在腦海中構思實驗，然後在腦海中反覆思考，直到物理原理似水晶般清晰。 狹義相對論 狹義相對論將伽利略和牛頓提出的運動物體物理學與電磁輻射定律相結合。 結論一：自然界不允許有「特權」參照系。只要一個物體以恆定的速度(即沒有加速度)在一條直線上運動，物理定律對每個人都是一樣的。這有點像當你從火車窗口往外看時，看到相鄰的火車似乎在移動——但它是在移動，還是你在移動?這很難說。愛因斯坦認識到，如果運動是完全一致的，那幾乎是不可能分辨出來的——他把這看作是物理學的中心原理。 結論二：光速恆定。即不管觀察者相對於光源如何移動，光速對他們都是一樣的。 從這裡出發，愛因斯坦證明了空間和時間以科學家們從未意識到的方式交織在一起。 關於狹義相對論，愛因斯坦在16歲時開始了他的思維實驗，讓我們看看它如何最終引導他得出現代物理學中最具革命性的方程式。 在一束光旁奔跑 愛因斯坦非常不適應當時他的祖國——德國嚴格到有些教條的教育，1895年從高中肄業，打算大學申請瑞士聯邦理工學院(ETH)，他先到了蘇黎世附近的阿勞的一所學校里做準備。在瑞士寬鬆愉快的學業氛圍里，他開始思考如果他能沿著一束光跑步會是什麼樣子。 愛因斯坦在物理課上已經學過光束是什麼——一組振蕩的電磁場以每秒186,000英里的速度波動。 自17世紀也被當作伽利略和牛頓的時代以來，物理學家就一直信奉這個觀點：你所能測量的只是一個物體相對於另一個物體的速度。他想到，如果他也能以這樣的速度隨著光前行，他應該能夠看到一組振蕩的電場和磁場靜止的呆在他旁邊。 然而，這樣的靜止場違反了洛倫茲變換後的麥克斯韋方程組，那是當時物理學裡關於電、磁和光的定律。 這裡產生了矛盾，困擾了愛因斯坦10年，從他在ETH上大學期間到他搬到瑞士首都伯爾尼，在那裡他成為了瑞士專利局的一名審查員，也是他破解這個悖論的地方。 測量行駛中的火車發出的光 愛因斯坦嘗試了他能想到的每一個解決方案，但沒有一個成功。最後，他開始考慮一個簡單但激進的想法，就是光速恆定。 換句話說，當你看到一束光快速移動時，不管它是朝向你，還是遠離你，或是偏向一邊，你總是可以測量到光速是每秒186,000英里。這意味著愛因斯坦將永遠看不到靜止的、振蕩的光。 這也是愛因斯坦針對這個情況下能調和麥克斯韋方程組的唯一方法。愛因斯坦後來用另一個思維實驗來解釋這個問題:想像一下，當一列火車以每秒2000英里的速度向同一方向呼嘯而過時，一束光沿著鐵路路堤發射。站在堤岸上的人將測量光速為標準速度，即每秒186,000英里。但是火車上的人會看到它以每秒184,000英里的速度飛馳而過。那麼這個參考系下，光速不是恆定的，那麥克斯韋方程組中電磁學的性質就會變化。所以，光速恆定。 閃電擊中了行駛中的火車 愛因斯坦的另一個思考是，相對運動的觀察者對時間的體驗是不同的:從一個觀察者的角度來看，兩個事件完全可能同時發生，但從另一個觀察者的角度來看，發生的時間是不同的。兩位觀察家都是對的。 他用另一個思想實驗說明了這一點。想像一下，當火車呼嘯而過時，有一個觀察者站在鐵路的路堤上。但這一次，當列車的中點經過時，列車的兩端都被閃電擊中。因為閃電距離觀察者的距離是相同的，所以閃電的光在同一時刻到達觀察者的眼睛。所以他正確地說它們同時發生。 與此同時，火車上的另一位觀察者正坐在它的正中央。從他的角度來看，兩次電擊產生的光的傳播距離也是相等的，同樣測量兩個方向上相同的光速。但是因為火車在運行，所以從後面的閃電發出的光比從前面發出的光晚到達她那裡幾分鐘。這樣，她只能得出這樣的結論:這兩次電擊並不是同時發生的——列車前端先被閃電擊中。 簡而言之，愛因斯坦意識到，同時性是相對的。一旦你接受了這一點，我們現在所聯想到的所有與相對論有關的奇怪效應都只是一個簡單的代數問題。 1905年，愛因斯坦興奮地把他的論文送去發表，名字是《論運動物體的電動力學》。 我們可以看到，愛因斯坦的天才之處在於，他設計實驗，並假設實驗結果是正確的。這與大部分人的做法完全相反。他沒有假設理論是正確的，實驗是失敗的，而是假設實驗是正確的，理論是失敗的。 而且，愛因斯坦狹義相對論絕對不是靈機一閃，在10年里，他不斷思考，不斷計算，才成功得出這個影響深遠的結論。所以，在現在這個追求高效的時代，愛因斯坦給我們的一個提示，科研出成就，不能盲目追求速度，有時候，思考經過時間的沉澱，才能有美好的果實。 如果喜歡這篇文章，請關注劉老師，每天帶來硬核科普。

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