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思维留声机
脑洞实验室
这里是科学星球
前面我们聊了光速不变
节目的最后
我留了个问题
问问大家有没有意愿再往深处挖一挖
了解一下这个光速不变到底是怎么来的
我也和大家预聊
这个话题真的讲起来可能会比较烧脑
很多朋友都留言
就是要抬一抬这个杠
那这一期咱们就来聊聊相对论出现之前都发生了什么事儿
光速不变到底是怎么烧的
以及因为它的不便
带来了哪些怪异的事情
创世之初
便有了光
古人在创世纪中写道
神在第一天就创造了光
这样的想法并非出于偶然
没有光
我们就不知道我们的周遭还存在着浩渺的宇宙
西方的宗教经典里
最重要的就是这句要有光
现在这句话有了不同以往的重要性
以前它是神的一个念头
现在我们知道
它是自然规律的必然
基于同样的规律
世界上才有了苍穹
还有大地
这样看来啊
不仅人类是光的囚徒
我们的宇宙也是这样的
地球和物质随着光的脚步来到了这个世界
一次又一次的认知转换
一步步的发展出了我们看到的现代科学
在柏拉图看来
我们对于世界的观察
很大程度上囚禁了我们的思想
限制了我们对宇宙结构的描述
可是在柏拉图之后两千年的时光里
他的观点一直没有受到世人的重视
后来呢
当科学家们开始认真探索宇宙的本质的时候
光到底是什么
这个问题足足困扰了他们四百年
在这些现代科学家里
最早对这个问题进行认真研究的是牛顿
在牛顿看来
光是由粒子组成的
它将这些粒子称为微粒
可是同时代的另一批科学家则一致认为
光是一种波
牛顿是一个生性自负的人
他坚信自己的那些同辈和竞争对手都是错的
自己才是对的
为了证明这一点
他设计了一个很巧妙的实验
波动说的支持者是这么认为的
光波由白光构成
当光通过棱镜的时候
遭到了玻璃的腐蚀
结果散射成了各种颜色
那依照这种说法
玻璃越厚
光线就散射的越厉害
可是牛顿认为啊
事实不是这样的
光是由带有各种颜色的粒子构成
当这些粒子混合在一起之后
光就变成了白色
那为了证明玻璃腐蚀说是错误的
牛顿设计了这么一个实验
他将白光射进两片朝向相反的棱镜
白光经过第一片棱镜之后
散射成彩色的光谱
而在通过第二片棱镜之后
散射的光谱又重新组成了一束白光
那如果玻璃腐蚀说是正确的
以上现象就根本不会出现
第二片棱镜只会使光散射的更厉害
而不可能将它还原为初始状态
牛顿的研究发现可以通过一个简单的理论来解释
也就是白光有不同颜色的光混合而成
在这一点上
牛顿是正确的
可是
这些发现并不能说明
光是由不同颜色的粒子组成的
事实上
组成白光的是不同波长的光波
不过
光的波动说面临着一个大问题
也就是光到底是什么的波
人们此前所知的所有波都离不开传播的介质
那到底什么是光的传播介质呢
这些问题让人倍感困惑
波动说的支持者们不得不宣称
整个空间里弥漫着一种看不见的东西
他们称它为以态
一个物理难题的答案常常出人意料的出现在物理世界的其他角落
以上难题也不例外
他的答案藏在一个充满着转轮和火花的世界
在那个角落
有一个受人尊敬的科学家叫迈克尔
法拉蒂
它一直致力于当时科研的一个热门领域
电和磁之间的关系
电荷和磁铁一样
既可以互相吸引
也可以互相排斥
当然
磁总是有南北两极
没有孤立的一极
对电荷来说
存在着单独的正电荷和负电荷
科学家们和自然哲学家们当时都在苦思电和磁之间的隐秘关系
有一个叫奥斯特的人意外获得了其中的第一条线索
一八二零年的时候
在一堂课上
奥斯特接通了电池的两极
通过导线的电流使一旁的磁针发生了偏转
随后几个月
奥斯特又进一步深入研究
他发现
运动的电荷流
也就是我们现在所称的电流
能够让导线产生磁力
这个磁力使得磁针儿沿着以导线为中心的圆形切向偏转
这是个令人匪夷所思的实验
很快消息就传遍了欧洲大陆
又穿过了英吉利海峡
运动的电荷可以产生磁力
电和磁之间还有其他联系吗
那磁铁是不是也能反过来作用于电荷呢
一八三一年的时候
刚才我们说到的法拉第
在他的实验笔记中记录了一个重要的发现
他接通了一个缠绕着铁棒的线圈
让铁棒磁化
在这一瞬间
他发现另一条绕着同一铁棒的线圈中有电流通过
显然
简单的将导线放在磁铁旁边
没法在导线中产生电流
可是在磁铁出现或者消失的过程中
导线里产生的电流
接下来
法拉第让磁铁在导线周围移动
同样的效应又一次出现了
当磁铁接近或者远离导线的时候
导线中就有电流通过
和电荷的移动产生磁力一样
磁力的移动或者是磁场强度的变化也能产生电力
并且让磁铁旁边的导线产生电流
电磁感应现象里隐藏着极为深刻的理论意义
如果你看不出来
也不能怪你啊
揭示这个隐藏意义的过程其实相当微妙
还得等十九世纪最伟大的理论物理学家来完成
这个人
我们一会儿再来聊
这个时候
法拉第就发明了一个极为重要的物理概念
这个概念解决了牛顿终其一生都没有解决的难题
它同时也成为了所有现代物理的根基
法拉第就自己问自己啊
一个电荷怎么知道遥远的地方出现了新的电荷
进而相互之间产生电力呢
同样的问题
牛顿也想过
只不过他考虑的是引力
地球是怎么知道太阳的存在
进而相互之间产生出引力呢
引力到底是怎样从一个物体传导到另外一个物体的呢
这个疑问
牛顿一生都没有回答出来
在法拉第的想象里啊
每个电子都被电场所包围
在他看来呢
电场就是一簇以电荷为中心向外发出的线
当电荷增加的时候
电场线的数量也会增加
那将一个电荷静置
再在它的周围加入一个测试的电荷
测试的电荷会感受到原先的电荷在那一点处产生的电场
施加在测试电荷上的电力的强度与该处电场线的密度就成正比
由此呢
法拉利并没有使用数学方程
而是通过脑海中的图像描述了电力作用的本质
与此类似啊
我们能够通过磁场来理解各种磁力定律
有了电场和磁场这些物理概念的帮助
我们就能重新表述一遍法拉第发现的电磁感应现象了
电线圈里的磁场线的增减
会在线圈中产生电流
很快
法拉第就意识到
他的发现可以将机械能转化为电能
如果在水车的叶片上附上线圈
再把水车置于一个大磁场里
那么当水车旋转的时候
通过线圈的磁场数量就会发生持续的改变
从而呢
就产生持续的电流
法拉第发现电磁感应的那一年
另一位伟大的科学家刚好出生
他就是詹姆斯
克拉克
麦克斯韦
法拉第比麦克斯韦大四十岁
他也启发了麦克斯韦的研究
在很年轻的时候
麦克斯韦就开始关注电学和磁学
在和法拉第会面之后
麦克斯韦将这门蓬勃发展的学科视为自己的研究重点
麦克斯韦通过自己的数学天赋来重新描述和理解了法拉第的各种发现
麦克斯韦给出了法拉第的立场线背后的严格数学
他也因此进一步探索电磁感应的现象
那为了完成电磁统一的理论
麦克斯韦借由法拉第的工作来揭示电和磁之间的对称关系
简单的说啊
在之前我们说奥斯特的实验里
移动的电荷产生了磁场
而在法拉第的实验里
变动的磁场产生了电场
在一八六一年的时候
麦克斯韦第一次将以上的结果表述为数学公式
可是很快啊
他发现自己的公式并不完备
磁场和电场看起来还是不够对称
电荷必须通过移动才能产生磁场
可是磁场不需要移动
仅仅发生强度上的改变
就能产生电场
麦克斯韦就认识到
为了让这些描述电和磁的方程完备且自洽
就需要在这些方程里加入额外的一项
麦克斯韦称为位移电流
这个方程本身我们不需要关心啊
我们只需要关心麦克斯韦做出的一个推论
也就是移动的电荷
也就是电流确实能够产生磁场
可是移动仅仅是电场改变的一种方式
或许不需要移动电荷
仅仅改变电场的强度也能产生磁场
他就认为
把两块平行的金属板连接到电池的两极上
在电池的作用下
这两块板会带上相反的电荷
这些电荷会在两块板之间产生电场
如果用一根导线连接这两块板
导线上也会产生出磁场
当麦克斯韦在他的方程中加入位移电流之后
他的公式终于实现了数学上的自洽
位移电流就像是一种虚拟的电流
它在两块金属板之间流动
两块板之间真实的电场变化
就是位移电流所产生的电场变化
两块板之间产生出的磁场呢
也就是位移电流所产生的磁场
那么
电和磁之间的关系
可以简单的表述为
电场的变化产生出磁场
磁场的变化也能产生出电场
不经意之间
原本存在于数学公式中的场
变成了真实的物理存在
而不仅仅是描述电荷相互作用的一种手段了
电和磁变得不可分离
我们再也不能抛开磁力谈电力了
自从麦克斯韦以后
人们不再将电力和磁力视作两种不同的力
因为这两种力其实是同一种力不同的表现形式
麦克斯韦就是这样通过优美的数学语言构建了电磁学的基本法则
这个还没有完全体现麦克斯韦的聪明才智
别忘了
我们前面说的光
它是世界上最基本的物理存在
是我们最司空见惯的事物
可是上至柏拉图
下至牛顿
在这些伟大的自然哲学家看来
光依然是神秘莫测的
而麦克斯韦通过数学向我们揭示了光的本质
让我们来做这么一个思想实验啊
上下抖动一个带电的小物体
会发生什么事呢
是的
电荷周围带有电场
当你移动电荷的时候
电场线的分布就会发生变化
根据麦克斯韦的理论
电场的变化会产生磁场
而当电荷反向运动的时候
磁场的方向也会发生相应的翻转
我们不断上下抖动这个电荷
电场的方向不断改变
它就不断感应出磁场
而磁场的方向也不断改变
磁场的变化又会产生电场
于是我们又有了新的感生电场
如此往复啊
抖动着的电荷不断在它的左右产生新的电场和磁场
随着电荷的上下抖动
电场和磁场不断的衍生
就向外传播
形成了电磁的扰动
这一切都遵循麦克斯韦的电磁学方程
电磁扰动形成了波
它就是电磁波
麦克斯韦还做了一件更了不起的事儿
它计算了电磁波的传播速度
我们的音频节目没法给你说它的计算公式啊
但是可以给你说一下它的推导
它的推导是这样的
我们能够测量两个已知电荷之间的电场强度
电场强度和这两个电荷的乘积成正比
那我们就可以把电场强度和电荷乘积之间的比例系数定义为a
与此相似啊
我们也可以测量两块电磁铁之间的磁场强度
电磁铁的磁场取决于所加的电流
那两块磁铁之间的磁场强度和所加的电流的乘积也是成正比的
我们就可以把磁场强度和电流乘积之间的比例系数定义为b
麦克斯韦就指出
啊
振荡电荷产生的电磁扰动
它的传播速度完全由电场强度和磁场强度决定
它们之间有确定的公式
如果我们能够从实验室里得知比例的系数a和b
我们就能知道电场和磁场的强度
从而知道电磁波的传播速度
当麦克斯韦将实验的数据带入公式之后
它就得到了电磁波的传播速度
每秒钟三十万公里
这里你需要注意
这个电磁波传播的速度
并不是我们先测量距离
再测量时间
然后用距离除以时间算出来的
而是用电场和磁场的强度算出来的
那在普通人看来
以上这个数字可能没有什么意义
可是电光火石之间
麦克斯韦知道
这个就是光的速度
一八六二年
麦克斯韦就记录了他第一次推出电磁波传播速度时的感受
他是这样说的
我们难以回避这一推断
光与铜介质中引起电磁现象的恒波具有一致性
换句普通话说
光就是一种电磁波
为什么会有光
这个问题困扰了人类两千年
而正是麦克斯韦论文中的这一句话
让这道难题尘埃落定
麦克斯韦之前
人们信仰神明
通过创世纪来获得智慧
纵使天才如牛顿
也只能依赖宗教来理解光的起源
但是在一八六二年
一切都变得完全不一样了
下一个伟人的出场
又是一次冥冥中的巧合
一八七九年
伟大的麦克斯韦去世了
这一年
爱因斯坦出生了
如果没有麦克斯韦的发现
爱因斯坦无法成为爱因斯坦
麦克斯韦和法拉第分别为人类创建了光学和电磁学
新一代的科学家们在成长的过程里
不得不和他们死缠烂打
而爱因斯坦正属于他们中最早的那一代
早在少年的时代
爱因斯坦就机敏的察觉出
麦克斯韦的电磁学理论虽然优美
但是背后却隐藏着一个重大的问题
这个问题是
麦克斯韦方程组和伽利略的相对性原理是不相容的
这个相对性原理比较简单
咱们可以说几句啊
伽利略论证过这么一个想法
没有人
也没有实验可以区分静止状态和匀速运动状态
对于所有处于静止和匀速运动状态的观测者而言
物理定律是保持不变的
也就是说
你不可能通过实验分辨出一个物体是静止的还是匀速直线运动的
当我们抬头看天的时候
很容易发现啊
相对于我们
飞机是运动的
可是无论在地面上
还是在飞机上
无论你做什么样的实验
都没法分辨出到底是地面静止
飞机在动
还是飞机静止
地面在动
爱因斯坦的学术生涯就始于这片智慧的高地
他很快就发现
这里面藏着一条深不可测的巨大鸿沟
伽利略和麦克斯韦的理论之间存在着不可调和的矛盾
那根据伽利略的理论
只要我安安稳稳的以一个恒定的速度开车
不突然加速
车里面的物理学和实验室里的物理学就没有差别
如果车后座里有一个女儿
抛弃一个玩具
她一定能稳稳的接住
在家里玩耍建立起来的直觉
同样适于在车里
而如果小女儿把玩具扔下我
这个玩具就会完全遵循牛顿定律
以每小时二十四公里的初速度在空中画出一道漂亮的抛物线
然后落在我的后脑勺上
那么
让我们把这个车速暂时定为每小时十六公里
车外面的路人会看到车内的景象是这样的
玩具相对于车的速度
比如说是每小时二十四公里
和车本身的速度每小时十六公里相互叠加
变成了每小时四十公里
这个玩具还是会遵循牛顿的运动定律
只不过是以更快的速度每小时四十公里砸向我的脑袋
到目前为止
一切都说得通
可是
假如后座的女儿扔出的不是一个玩具
而是用手电筒发出一束光
在一个路人看来
又发生了什么呢
常识告诉我们
在路人的眼里
从我女儿手里传出的光的速度
应该等于车的速度加上这束光本身的速度
然而
麦克斯韦电磁理论却告诉了我们另外一番事实
只要知道震荡的电荷产生的电场和磁场的强度
麦克斯韦就能算出电磁波的传播速度
按照这个逻辑
如果我的女儿在车上观测到的光速是c
而地面上的观测者发现光速是c加每小时十六公里
那么他们两人观测到的电磁场的强度就会不一样
这一点可就直接和伽利略的相对性原理相违背了
如果两个观测者观察到的电磁场强度不一样
那我们就能知道谁是运动的
谁是静止的
由此看来
伽利略和麦克斯韦之间
只可能有一个人是正确的
两个人不可能同时都是对的
那大概是因为伽利略的工作诞生于物理学的萌芽时期
多数的物理学家更倾向于支持麦克斯韦
他们认为啊
宇宙中存在一个绝对静止的坐标系
麦克斯韦理论只适用于那个坐标系
所有相对于绝对静止坐标系运动的观测者
将会测得各自不同的光速
毕竟
如果电磁波真的是某种电磁的扰动
那么电磁波到底是扰动什么介质呢
千百年来
哲学家们一直认为
世界上存在着一种叫做以态的物质
它无色透明
填满了整个空间
类比于声波在水里或者空气中的传播
人们自然而然的认为
电磁波应该在以态里传播
电磁波在以态中以一个固定的速度传播
也就是麦克斯韦算得的光速
那所有相对于以太运动的观测者所测到的光速
取决于他们运动的快慢
也会有高或者有低
爱因斯坦的天才之处不在于他的数学能力
而在于他的创造力
在于他的智力
自信以及由此而来的坚持不懈
他面临的巨大挑战在于
怎样才能融合两个互相矛盾的观点
留住一个抛弃客其实比较容易
而同时保住两者
移除他们之间的矛盾
则需要伟大的创造力
那如果麦克斯韦和伽利略都是对的
我们就必须打破二者之外的某个东西
才能消除他们两个之间的矛盾
究竟要打破什么呢
麦克斯韦和伽利略同时都对的想法看似有点疯狂
他的结论是
如果两个人都对
那么在上述我们说到的例子里
车里和地上的观测者所测得的电磁场信号必须相同
那么由此计算出来的光速也必然相同
换句话说
无论你运动的有多快
光速对你来说都是不变的
接下来
爱因斯坦就向自己提了这么一个问题
到底怎样测量光速呢
最常见的方法就是测量某段时间内物体运动的距离
我们就能测出物体的速度
据此啊
爱因斯坦就认为
只要两个观测者在同样的时间间隔内
比如说
两个观测者在各自的坐标系里取一秒钟的时间
在这样相同的时间间隔里测量光相对于自己的传播距离
那么这两个观测者在各自的坐标系里一定会测到相同的光速
那进一步的推论就是
如果两个观测者测到的光速始终一样
那么这两个观测者对于距离或者时间所做的测量就必然不同
爱因斯坦由此就大胆断言
类似的怪事儿真真实实的存在
麦克斯韦和伽利略都是正确的
所有的观测者
无论他们相对速度如何
都会发现光以同样的速度c相对于自己运动
而他们之间真正的不同在于
他们对于时间和距离的理解是不同的
在日常的生活里
我们常常觉得自己和周围的人所看到的东西是一样的
因为我眼中的现实就是你眼中的现实
可惜
这个不过是个错觉啊
怪就怪光的传播速度太快了
有时候我们会说此刻发生了某件事
比如说街上出了车祸
可以准确的说啊
这些事儿并非发生于此刻
而是发生于此刻之前
光从车祸现场进入我们的眼睛
需要一点点时间
在认识到这一点之后
爱因斯坦提了这样的一个问题
如果观测者a看到两个异地的事件同时发生
那么相对于a运动的观测者b来说
他又会看到怎样的景象呢
为此呢
爱因斯坦举了一个和火车有关的例子
我们想象一下这个场景啊
观测者a站在列车中央
它静止不动
观测者b也在列车中央
只不过它是随着火车向前运动的
也就是他在车里往某一个方向走
走的方向呢
和火车的运动方向正好是一样的
那在某个时刻
他们擦身而过
而正在这个时刻
一道闪电同时击中了火车首尾两端所在的地面
两处呢
开始冒过
对a来说
首尾两处的烟发出的光会在一小会之后同时进入a的眼帘
可对于运动着的b来说
情况就有点不一样了
因为他在往车头的方向走
所以他会先看到车头方向的烟发出的光
而此时此刻
车尾的烟发出的光还没有到达b所在的位置
过了一小会
b也会看到来自车尾的烟
由于b正好处在列车中间
又由于光以同样的速度c相对于b运动
b于是就得出结论
车头比车尾先冒烟
那a和b到底谁对谁错呢
爱因斯坦的答案有点惊人
a和b都是对的
爱因斯坦指出
啊
物理量的测量方式定义了物理量本身
我们当然可以想象一个独立于测量方式的真实的世界
可是
从科学的角度来说
这个假设是行不通的
如果观测者a和b在同一地点
在同一时间测量同一个事物
那他们的测量结果肯定是相同的
可是
如果a和b相处于遥远的两个地方
那么a和b的测量结果很可能不同
b所进行的每一次测量都在告诉b
车头发生的事件优先于车尾发生的事件
而a所进行的每一次测量都告诉a
两处的事件是同时发生的
对于a或b而言
他们都无法在同一时间身处两地
如果想要测量某个远处事件发生的时间
他们必须对远处进行观察
而这些观察又取决于远处事件所发出来的光
在对光信号进行测量之后
a和b所得的不同
造成了他们对远处事件同时性的不同理解
从这个意义上来说
他们都是对的
由此可见啊
此处此时专属于某个时间
某个地点
我们不能把一个地方的此时强加给另外某个地方
下面
我们可以再来举一个更加匪夷所思的例子
谈谈我这么说的原因
假设有第三个观测者c
正好坐着和b反向的列车通过车站
那么由于他的运动方向和b是相反的
所以在他看来
左边的事件反倒是先于右边的事件发生的
换句话说
c和b的观测结果完全是相反的
他们观察的视线次序是互相颠倒的
一个人眼中的先来
在另一个眼中变成了后道
这个好像是个相当严重的问题
在我们所理解的事件里
原因总是先于结果发生
可如果事件的先后会因为观测者的不同而不同
那么因果律又会发生什么变化呢
爱因斯坦指出
由光速不变引发的时间次序颠倒
只可能在两个距离遥远的事件之间发生
相对于两个事件之间的时间差
光在两个事件之间传播所花的时间总是更长
这也就意味着
如果光速是所有速度的极限
那么在这段时间里
由一个事件发出的信号到不了另一个事件
两个事件完全没法相互影响
也就没法互相为因果了
可如果两个事件发生于同一个地点
那么不同的观测者还会对两者的先后有不同的意见吗
为了回答这个问题
爱因斯坦想象列车的一侧装有一台理想化的钟
在列车的另一侧相应的位置装有一块镜子
注意啊
这里说的列车两侧
是垂直于列车运动方向的两侧
也就是列车的a座和f座
不是指列车的车头和车尾啊
这个钟呢
向对面发射光线
光线将由镜子反射折回钟
此时时钟的秒针会走一格
那我们可以假设
光每走一个来回
用到的时间是百万分之一秒
在车上的人看呢
光线是笔直的走了一个来回
现在让我们考虑一下
地面上的观测者会看到什么样的场景
那是火车在运动
就站台上的观测者而言呢
钟和镜子都在运动
光线折返这一个过程啊
走过的是一条斜线
而不是一个直线
如果你拿纸笔画一下
就会更直观啊
显而易见
对比火车上的观测者
地面上的观测者发现
光的传播距离更长
然而光线的传播速度对他来说也是一样的
还是c
所以整个来回过程会花更长的时间
嗯 于是呢
火车上的百万分之一秒
对地面上的观测者而言
就是百万分之二秒
换句话说
在他的眼里
火车上的时间变慢了
而让人感到奇怪的是
这个效应是双向的
那果站台上也有同样的这么一套装置
那在站台上的人看来
这套装置里的光是直线来回跑的
但是在火车上的人来看
因为站台是相对于火车移动的
他眼中看到的光线来回的路线也是一条斜线
所以他就会发现
火车上的钟每走两格
地面上的钟才走一格
换句话说
火车上的人会认为地面上的人所经历的时间更慢
如果你非要认为存在一个绝对客观的观察者
那这两个人观察到的其实都是假象
可是不要忘了
我们之前说过
测量即为现实
对于a和b来说
他们测量到的结果都是真实的
那对他们的坐标系来说
这个结果就是真实的
那么
光速不变
还会带来另外一个效应
也是最为诡异的一个
这个效应能够改变我们所见所感的物体的物理属性
如果我带着一把尺子飞速向你奔过来
那么你看到的尺子长度会短于我看到的尺子长度
比如说
在我的眼里
尺子有十厘米长
可是在你的眼里
尺子也许只有六厘米长了
你可能会想当然的说
这一定是个错觉
同样的东西怎么可能有两个长度呢
对我而言
松散排列的原子不可能为了你而紧紧的挤压在一起
啊
让我们再次回到那个老问题上
到底什么才叫真实
如果在每一次测量之后
你都发现我的尺子有六厘米长
那么这把尺子就是有六厘米长
长度不是一个抽象的物理量
只有通过测量
我们才能知道物体的长度
由于测量因为观测者不同而不同
所以长度也会因人而异
为了阐明这一点
接下来我们再来举一个例子
通过它
我们会看到相对论怎样又一次自圆其说
假设啊
我的汽车有三点六米长
你家的车库只有二点四米深
显然
我的汽车无法停进你家的车库
对吧 可是
根据相对论
只要我把汽车开的足够快
你就会测得
我的汽车只有一点八米长
至少在我的汽车还在运动的时候
汽车能够停进你家的车库
然而
如果我们转换一下视角
对于开着汽车的我来说
汽车有三点六米长
你家的车库正在飞快的朝我运动
如果我对它进行测量
我会发现
车库不再有二点四米深
它的深度仅仅有一点二米
显然
我的汽车更停不进你的车库了
那到底哪个观点才是正确的呢
显而易见
汽车不可能既停得进车库
又停不进车库
对吧
可是
等一下啊
这个真的是显而易见的吗
让我们先回到你的视角
假设你给车库前后装了大门
为了保证我的汽车安全入库
你进行了下面的操作
在我的汽车驶入车库的过程中
你保持车库的后门关闭
前门是打开的
当我的汽车彻底进入车库之后
你再关闭前门
而与此同时
你要快速的开启后门
以保证我运动着的汽车能够安全的从后门驶出去
通过以上这些步骤
你展示了汽车停车入库的过程
当然
这没有什么奇怪的
毕竟在你来看
我的汽车比你的车库要短嘛
现在回到我的视角
请记住
对我而言
距离遥远的事件的先后顺序可能和你是不一样的
以下是我的观察
我看到你那小小的车库就在我的前方
你打开了前门
好让我的汽车驶入
接下来
我会看到
就在我撞上车库后门之前
你善解人意的打开了后门
再后来
当我的车尾驶进车库后
我看见你把前门关闭
所以
在我看来
我的汽车没能在前后门同时关闭的情况下完全进入你的车库
毕竟你的车库太小
不可能做到这一点
嗯
你我所见的现实
基于你我可能进行的测量
在我的参考系里
汽车比车库长
在你的参考系里
汽车比车库短
事实就是这样
其中的关键在于
在某个时刻
我们只能身处一个地方
我们对于那个地方的现实有清晰的认识
可是当我们考虑真实世界的其他角落的时候
我们只能依赖远处的测量
这些测量会因为观测者而已
咱们换句话说啊
在日常的情况下
因为无论是车库还是车
它们的长度都远远小于光走过的距离
所以我们认定要么停进车库
要么没停进
但是在现实的宇宙里
我们要观测到这种差异
车和车库的长度都必须非常非常的长
那在这种遥远的距离下
我们根本就不能把车有没有停进车库当成一个绝对客观的事件来判断
在这种距离下
光从车头传到车尾需要花一定的时间
那么车头通过后门和车尾通过前门
他们就不能视为同一个事件
而是录先后顺序的两个事件
这两个事件在不同的观察者眼里
会有先后顺序的不同
那在录这个音频的时候
我也承认啊
这个故事非常非常的烧脑
画在纸上都不一定能完全理解
如果你听完觉得还是没听懂
非常的正常啊
我建议你可以去百度搜索一下长棍杨谬
这个棍儿呢
就是棍子的棍
你看着图文来了解
可能能更清晰
嗯
这个故事之所以这么烧脑
这么难以理解
就是因为爱因斯坦在相对论里揭示了一个全新的现实世界
它基于伽利略的相对性原理以及麦克斯韦的电磁统一理论
这个新世界抹除了现实的客观性
现实完全取决于主观测量
产生了这么多奇怪的推演
原因就在于
我们相信光速是不变的
那我们之所以相信光速是不变的呢
又因为光是一种电磁波
它的速度取决于电场和磁场的强度
那之所以电场和磁场的强度在不同的运动速度下保持不变
又是来自于伽利略的相对性原理
所以
当我们质疑光速不变的时候
我们质疑的不是简单的距离除以时间的一个测量结果
我们真正质疑的是物理学发展中这一步一步的推演
你别忘了
这些理论推演出最后的结论
光速不变
它只是一个副产品
那这些理论本身还有其他非常伟大的作用
他们在无数的实验里得到了印证
你要推翻他们
就不仅要推翻光速不变
还要推翻由他们推演出来的整个物理大厦
最后
我们再来说一下科学界对于这些怪异的相对论现象给出的一个解释
这个就得说到四维时空了
嗯
在上个小节的答疑里啊
我给你讲了一个柏拉图洞穴里囚犯的故事
囚犯们看不到身后的事物
只能看到事物投射在墙上的影子
如果一个尺子在他们身后旋转
他们看不到旋转的现象本身
只能看到投射在墙上的影子会一会儿变长
一会儿变短
如果我们从空中俯瞰
很容易就能看到
墙上的投影之所以变短
是因为尺子以某个角度对着墙面旋转
那在这样俯视的视角下
我们会看到
尺子的长度其实是固定的
光速的不变性
以及爱因斯坦所揭示的全新的时间和空间的关系
反映了二者之间深层次的联系
观测者们其实都是生活在四维宇宙中
在这里
时间和空间的地位是均等的
不同运动速度的观测者们所看到的
只不过是四维宇宙不同的三维投影
让我们回头看看相对论中的那把尺子
如果我们观察移动中的尺子
也就是尺子的速度很快
我们的速度很慢
我们就会发现
尺子的长度缩短了
我们观测的是在四维时空中移动的物体在三维时空中的投影
它在第四维上的长度越大
也就是时间维度上的速度越快
那在三维空间中的投影就越短
可如果观测者跟随着尺子以高速运动
尺子的长度对它来说就是不变的
齿缩效应以及其他所有的相对论效应
都可以通过时空这个角度加以理解
在四维时空里
存在着一个对所有观测者都一样长的时空长度
不同观测者所看到不同的三维景象
其实都是这个长度旋转的投影
所以说
从表面上来看
爱因斯坦的相对论让物理世界变得更主观
因人而异
可事实上
相对论并不相对
它其实是一套关于绝对的理论
观测者对于空间或者时间的测量或许是主观的
但对时空间隔的测量却是普世的
也是绝对的
谁能想到
法拉第的转轮和磁铁
最终彻底改写了我们的时空观呢
可从事后诸葛亮的角度来看
至少我们知道
电磁大统一早已为我们揭示了一个全新的世界
让我们再次回到法拉第和麦克斯韦的时代
这一系列革命
始于带电粒子在磁场中运动的时候
受到一个特殊的粒
我们现在称这个力为洛伦斯利
现在让我们站在粒子的角度来思考同一个问题
在粒子的参考系里
磁铁运动
而粒子本身是不动的
可通常来说
我们认为静止的带电粒子不可能受到磁力
它只能受到电粒
换句话说
在粒子的参考系里啊
粒子所受的粒只能是电粒
而不是磁力
一个人眼中的磁力
在另一个人眼里看来就是电力
而连接二者的
就是物体的运动
相对运动的观测者会看到不同的现实图景
这一点
正是电磁大统一的核心
运动
这个最早被伽利略研究的课题
在三个世纪以后
为我们展示出一个全新的现实世界
在这个新世界里
不但电与磁得到了统一
时间和空间也得到了统一
如果你只看这段传奇的开头
没有人会料想它竟然会如此波澜壮阔
而这
正是我们故事的魅力所在
好了
这一期的内容咱们就聊到这儿
我们下期再见