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大家好,这里是小播读书,今天我们继续分享前沿科学科普著作《宇宙的琴弦》。前面我们分享了这本书的第一部分内容,物理学的两大支柱:相对论和量子力学。但可惜都不能很好地解释世界,因为它们分别在大尺度上和下尺度上能解释世界的规律,但是都不同统一的规律。而这个时候作者“超弦理论”出现了,那超弦理论是不是能更好解释世界呢?今天,我们继续分享这本书的内容,今天我们从爱因斯坦的相对论讲起。

爱因斯坦著名的相对论,究竟讲了什么?这也许是最通俗的解释了

今天的内容主要是阐述了爱因斯坦的狭义相对论,时间、空间以及光的的原理。由于内容过于抽象,书中也列举了大量的思想实验进行验证和说明,这里我筛选了部分实验和结论为了大家讲述。

爱因斯坦的狭义相对论指出,空间和时间都不是绝对的,构成狭义相对论基础的两个简单的原理:

1:一个与光的性质有关,也就是光速是恒定的,光速是10.8亿千米/小时;

2:另外一个相对比较抽象,是相对性原理,也就是运动是相对的。这个原理基于一个简单的事实:不论我们讨论速度的大小还是方向,都必须要明确测量者。这个就是相对论思想的精髓。

一个思想实验

假设在浩瀚的宇宙,乔治飘忽在黑暗的空无一物的空间中,从他的角度,他是完全静止的。而远处,他看到另外一个同样漂浮在宇宙中的另外一个人格雷西正向他飘过来。经过他时,他们相互挥了挥手。紧接着,格雷西消失在黑暗的夜空中。这个故事如果从格雷西的角度看,也可以解释为,格雷西自己感觉是静止的,远处的乔治向她飘过来,然后挥了挥手之后消失在夜空中。这两个故事讲的是同一件事情。两个人都觉得自己的静止的。这就是相对性原理的精髓:运动是相对

在狭义相对论里,不仅运动是相对的,时间和空间的结构密切依赖于观察者和被观察者之间的相对运动。运动物体的演化会变慢,运动物体在时间上会感觉慢了,在运动方向上的长度也变短了。

在爱因斯坦的狭义相对论里,物体的运动大部分是在时间,而不是在空间中度过的。在我们的普遍认知中,我们都是在空间中度过的,我们坐在沙发上看电视,在大街上行走,我们生活在一个三维的空间里,这个大家比较好理解。但爱因斯坦将我们的时间看成宇宙的第四维度,我们实际上是生活在包括时间维度的四维的宇宙中。比如当我们约一个朋友在什么地方见面时,我们除了确定双方的三维空间(就是在什么具体的地方)以外,我们还会约定一个时间,比如下午4点见面。

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于此,爱因斯坦将时间和空间的概念统一在一起。前面我们讲到,当物体相对于我们空间运动时,它的时间也会变慢。那么同样的,在时间的维度里,当物体相对时间运动时,它在时间里的运动速度也变慢了。

宇宙间的一切事物总是以一个恒定的速度(光速)在时间和空间里运动,而且我们三维空间和一维时间的相加的速度就是光速。但我们日常生活中运动的物体速度远小于光速,因此我们感觉不到相对效应的存在。这点怎么解释呢?

加入一个物体(相对于我们)是静止的。也就是说它在空间里是不动的,那么相对于我们,这些物体的空间运动速度是0,所以我们和这些物体在时间维度的速度是一样的光速,所以我们会跟它们以一样的速度变老。但是另外一面。如果一个物体相对于我们是运动的,比如汽车从我们身边驶过,那么物体运动的转移意味着它在空间运动速度大于0,所以它在时间速度中就会微小于光速,因为它有一部分运动转移到空间里面去了。也就是说,当物体在空间运动时,它的时间会变慢。

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如此推演,当物体在空间中的运动速度为光速时,那么它是时间应该是静止的,也就是时间的速度为0。那么,如果物体的运动速度超过光速,我们就可以时光倒流吗?可惜的是,任何物体的运动不可能超过光速。这是为什么呢?

质能等价理论是爱因斯坦狭义相对论的最重要的推论,即著名的方程式E=mC²,式中E为能量,m为质量,C为光速;也就是说,一切物质都潜藏着质量乘于光速平方的能量.由此可以解释为什么物体的运动速度不可能超过光速。

一个静止的物体,其全部的能量都包含在静止的质量中.一旦运动,就要产生动能.由于质量和能量等价,运动中所具有的能量应加到质量上,也就是说,运动的物体的质量会增加.当物体的运动速度远低于光速时,增加的质量微乎其微,如速度达到光速的0.1时,质量只增加0.5%.但随着速度接近光速,其增加的质量就显著了.如速度达到光速的0.9时,其质量增加了一倍多.这时,物体继续加速就需要更多的能量.当速度趋近光速时,质量随着速度的增加而直线上升,速度无限接近光速时,质量趋向于无限大,需要无限多的能量.因此,任何物体的运动速度不可能达到光速,只有质量为零的粒子才可以以光速运动,如光子。

好了,总结一下上面的内容。

1:狭义相对论中,运动是相对,时间和空间也是相对的。

2:我们生活在一个四维空间中,以光速在时空中运行。

3:光速是恒定的,任何物体的运动速度不可能超过光速。

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广义相对论

爱因斯坦狭义相对论解释了时间、空间以及光的性质,阐述了万物的运动速度极限是光速,但是却引出了另外一个问题:以光速为物体运动极限的概念与牛顿17世纪后期提出了引力理论是不相容的,因为引力可以瞬间在两个大大质量星体直接传播。换句话说,引力的速度是应该超过光速的。经过多年研究,爱因斯坦提出了广义相对论。在这个理论中,他又一次革新了我们对空间、时间的观念,他证明它们是卷曲着的,而引力就是那个卷曲的波澜。

1642年,牛顿出生于英国的林肯郡,毫无疑问,他是一位科学天才,他对宇宙有无数的发现,其中最为著名的就是万有引力定律。今天我们知道,我们能稳稳地站在地球上而不会漂浮在太空中,就是地球引力的作用。这样简单的常识,在300多年前,没有人知道苹果会落下的原理和行星围绕着太阳公转的原理是一样的。

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牛顿认为两个物体之间的引力大小取决于两个因素:组成每个物体的物质总量和物体间的距离。物体质量越大,引力也就也大,反之越小。并且给出了精确计算引力的方程式,称之为:引力定律。直到20世纪初,引力定律一直被公认为不容辩驳的真理。

但是爱因斯坦的狭义相对论提出了光速是一切宇宙万物的运动速度的最大值。但是按照引力定律,两个物体之间的引力和距离是存在关系的。可以试想太阳突然爆炸之后,原理1.5亿千米的地球会立刻脱离太阳的运动轨道,但是光从太阳到地球需要8分钟,也就是说,引力的速度超过了光速,这显然和爱因斯坦的狭义相对论是矛盾的。

在牛顿提出引力的同时,他并没有解释引力到底是什么,也没有说明引力究竟是怎么发生作用的。两个物体相隔亿万里,他们凭什么发生关系的呢?

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1907年的一天,爱因斯坦坐在瑞士的一间办公室里,经过曲折坎坷的思维活动,他终于意识到这个问题的答案。狭义相对论通过相对性原理确立了不同观察者的观点都是平等的。物理学定律对一切匀速运动的观察者都是一样的。但是对于那些加速运动者呢?爱因斯坦发现利用了空间和时间的弯曲来讲加速度和引力联系在了一起。让我们看看他是如何做到的。

爱因斯坦通过一系列实验首先证明了所有加速度运动时,空间都是弯曲的,而且时间也是卷曲的。而且爱因斯坦发现,引力其实就是时间和空间的弯曲。这就是广义相对论的思想精髓。

什么意思呢?当没有任何物体或者能量时,空间应该在二维平面上是平直的。但是在这个二维平面上,如果有一个很大质量的物体时,这个物体就会让这个平面凹陷,类似于一个球落入一张网上一样。地球绕着太阳转,仿佛有一个绳子将地球和太阳连接在一起。其实就是地球卷入了太阳将空间凹陷的轨道中,我们称这样的现象叫做引力的作用。

所以,导致地球和太阳之间的引力的神秘力量,是因为太阳的存在,导致了空间的弯曲。因此爱因斯坦的广义相对论将空间的弯曲结合在了一起解释了引力的作用,阐述了引力的动因是宇宙的结构。

所以按照这一理论,如果太阳爆炸了,由于引力的作用,我们地球还是需要8分钟才知道太阳爆炸的事实。

好了,我们今天讲了爱因斯坦的广义相对论和狭义相对论,今天的内容就是这些,如果喜欢我的文章,请关注“小播读书”或者分享给您的朋友,谢谢。

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