相對論到底講了什麼?普通人至今仍然無法理解

眾所周知,愛因斯坦著名的相對論引領了科學新時代,相對論讓人們對宇宙有了新的認識,但是能夠真正理解相對論的人仍在少數,為什麼相對論這麼難掌握?

相對論到底講了什麼?普通人至今仍然無法理解

首先關於相對論官方描述是這樣的:該理論在20世紀改變了理論物理學和天文學,取代了主要由艾薩克·牛頓創立的有200年歷史的力學理論。它引入了一些概念,包括作為時間和空間的統一實體的時空,同時性的相對論,運動和重力時間膨脹,長度收縮。在物理學領域,相對論改善了基本粒子及其基本相互作用的科學,並引領了核時代的到來。在相對論的幫助下,宇宙學和天體物理學預測了一些特別的天文現象,如中子星、黑洞和引力波。

相對論通常包括愛因斯坦提出的兩個相互關聯的理論:狹義相對論和廣義相對論。狹義相對論適用於沒有重力的一切物理現象。廣義相對論解釋了萬有引力定律及其與其他自然力的關係。適用於宇宙學和天體物理領域,包括天文學。

相對論到底講了什麼?普通人至今仍然無法理解

這些看似簡單的解釋背後隱含的深奧是普通人無法理解的,看懂這個理論和理解這個理論完全是兩回事,即便是懂的人,他的解釋也不一定正確。比如他們認為光的曲線是因為它遵循時空的曲率,但事實並非如此。它彎曲是因為光速在空間上是可變的。看看愛因斯坦在1920年說的:

這個結果表明,根據廣義相對論,在有引力場的空間中,光速不變定律不再成立。正如一個簡單的幾何考慮所表明的,光線的曲率只發生在光速在空間上可變的空間中。

或者想像你在開車。如果路的左側有泥,汽車就會向左行駛。那是因為泥漿使左邊的輪子減速。坦克跑道也一樣。你把坦克開到左邊,把左邊的賽道減速。

相對論到底講了什麼?普通人至今仍然無法理解

一旦你理解了為什麼光會彎曲,就很容易理解為什麼物質會下落。你所需要知道的就是愛因斯坦-德哈斯效應,它「證明了自旋角動量確實與經典力學中所設想的旋轉物體的角動量具有相同的性質」。所以只要把一個電子想像成光,繞著它轉啊轉。然後把它簡化成光沿著正方形的路徑傳播。然後想像它在引力場中,路徑的垂直部分保持垂直,但水平部分稍微向下彎曲。所以電子就像拋物線的自由落體一樣,就這麼簡單。

當然,這只是其中一點,前面說到了,相對論包含了兩個關鍵理論:狹義和廣義。狹義相對論相比而言,更容易理解一點,而廣義相對論就難了。我不是物理學家,如果我告訴你我理解它,那我就是在撒謊。當然,我只是純粹地說出我的感受。

相對論到底講了什麼?普通人至今仍然無法理解

關於狹義相對論,我們要想在生活中發現狹義相對論的現像是很困難的,因為我們在相對較慢的速度下沒有體驗到它的影響。如果我們以光速75%的速度移動,我們肯定會注意到它的效果,比如時間膨脹,這也是大多人最喜歡研究的一點。

因為相對論描述的最多的就是關於光速以及時間的關係,而光速總是以一種速度傳播,不管它的來源是什麼。廣義相對論中的一些原理是可以理解的,加速度和重力的原理是一樣的。這是一個關鍵點,將有助於你從理解狹義相對論到廣義相對論。比如兩名觀察員各手持一個大鐘,以80%的光速相互放大。哪一個的時間慢了?每個觀察者都聲稱對方的時鐘運行緩慢。他們都是對的。

所以,讓他們中的一個慢一點,坐在另一個旁邊,這樣他們就能看到誰的鐘慢了。你和我將是做這個實驗的人。我會是那個放慢腳步然後趕上你的人。所以,我放慢速度,反轉方向,加快速度,靠近你和你的時鐘。當我現在站在你旁邊聊天和比較時鐘,我們現在都看到我的時鐘運行緩慢。更糟的是,我和我們開始這個實驗時差不多大,但你比我大。原因是什麼?我經歷了力,加速力,或重力。如果你轉過身來趕上我,你的鐘就會走得很慢,你就會更年輕,這些因素是關鍵。當你猛踩剎車或油門,身體被推到座椅或方向盤上時,這些力在汽車中是相同的。這些力與重力相同。這就是為什麼具有強大引力的物體會在其附近擴張時間。靠近黑洞飛回地球?你經歷了我們剛才在狹義相對論中看到的時間膨脹。

相對論到底講了什麼?普通人至今仍然無法理解

是的,很難擺脫我們對絕對時間的本能觀念。由於缺乏嚴格的坐標系,以及需要使用協變導數等數學工具,確實使事情比牛頓力學困難得多,但在實踐中,大多數這些計算都被證明非常簡單,特別是在計算機的幫助下。但是…假設你是個理論物理學家。你完成了廣義相對論的課程,最終掌握了所需的技能,比如說,推導出施瓦茨柴爾德解或者自己算出水星的近日點推進。

然後你開始學習量子場論。很快你就會意識到你所學到的一切:坐標變換,協變導數,張量微積分,只是一個起點:困難的部分還沒有到來!

但作為對這個問題本質的更一般的回答,物理學總體上是困難的,因為大自然沒有義務是直觀的或可視的。在我看來,我們人類文明最偉大的成就之一,就是我們開發了心智工具,以我們的數學、物理(以及化學、生物學和自然科學的所有其他分支)的形式,通過這些工具,我們可以理解自然,儘管我們的感官和想像或想像的能力受到限制。

來源:kknews相對論到底講了什麼?普通人至今仍然無法理解