漫聊合集 跟爱因斯坦抬杠：光速到底为什麽不变?|相对论|电磁统一理论|相对性原理|电磁波

前面我們聊了光速不變 節目的最後我留了個問題 問問大家有沒有意願再往深處挖一挖 瞭解一下這個光速不變到底是怎麼來的 我也和大家預告 這個話題真的講起來可能會比較燒腦 很多朋友都留言 就是要抬一抬這個槓 那這一期咱們就來聊聊 相對論出現之前都發生了什麼事 光速不變到底是怎麼來的 以及因爲它的不變 古人在《創世紀》中寫到 神在第一天就創造了光 這樣的想法並非出於偶然 沒有光我們就不知道 我們的周遭還存在着浩渺的宇宙 西方的宗教經典裏 最重要的就是這句要有光 現在這句話有了不同以往的重要性 以前它是神的一個念頭 現在我們知道它是自然規律的必然 基於同樣的規律 世界上纔有了蒼穹還有大地 這樣看來 不僅人類是光的囚徒 我們的宇宙也是這樣的 地球和物質隨着光的腳步 來到了這個世界 一次又一次的認知轉換 一步步的發展出了我們看到的現代科學 在柏拉圖看來 我們對於世界的觀察 很大程度上囚禁了我們的思想 限制了我們對宇宙結構的描述 可是在柏拉圖之後2000年的時光裏 它的觀點一直沒有受到世人的重視 後來當科學家們開始認真探索宇宙的本質的時候 光到底是什麼 這個問題足足困擾了他們400年 在這些現代科學家裏 最早對這個問題進行認真研究的是牛頓 在牛頓看來 光是由粒子組成的 他將這些粒子稱爲微粒 可是同時代的另一批科學家 則一致認爲光是一種波 牛頓是一個生性自負的人 他堅信自己的那些同輩和競爭對手都是錯的 自己纔是對的 爲了證明這一點 他設計了一個很巧妙的實驗 波動說的知識者是這麼認爲的 光波由白光構成 當光通過棱鏡的時候 遭到了玻璃的腐蝕 結果散射成了各種顏色 那依照這種說法 玻璃越厚 光線就散射的越厲害 可是牛頓認爲 事實不是這樣的 光是由帶有各種顏色的粒子構成 當這些粒子混合在一起之後 光就變成了白色 那爲了證明玻璃腐蝕說是錯誤的 牛頓設計了這麼一個實驗 他將白光射進兩片朝向相反的棱鏡 白光經過第一片棱鏡之後 散射成彩色的光譜 而在通過第二片棱鏡之後 散射的光譜又重新組成了一束白光 那如果玻璃腐蝕說是正確的 以上現象就根本不會出現 第二片棱鏡只會使光散射的更厲害 而不可能將它還原爲初始狀態 牛頓的研究發現 可以通過一個簡單的理論來解釋 也就是白光由不同顏色的光混合而成 在這一點上牛頓是正確的 可是這些發現並不能說明 光是由不同顏色的粒子組成的 事實上組成白光的是不同波長的光波 不過光的波動說面臨着一個大問題 也就是光到底是什麼的波 人們此前所知的所有波 都離不開傳播的介質 那到底什麼是光的傳播介質呢 這些問題讓人倍感困惑 波動說的支持者們不得不宣稱 整個空間裏瀰漫着一種看不見的東西 他們稱它爲乙碳 一個物理難題的答案 常常出人意料的出現在物理世界的其他角落 以上難題也不例外 它的答案藏在一個充滿着轉輪和火花的世界 在那個角落有一個受人尊敬的科學家 叫邁克爾法拉第 他一直致力於當時科研的一個熱門領域 電和磁之間的關係 電荷和磁鐵一樣 既可以互相吸引 也可以互相排斥 當然磁總是有南北兩極 沒有孤立的一極 對電荷來說 存在着單獨的正電荷和負電荷 科學家們和自然哲學家們 當時都在苦思電和磁之間的隱祕關係 有一個叫奧斯特的人 意外獲得了其中的第一條線索 1820年的時候 在一堂課上 奧斯特接通了電池的兩極 通過導線的電流 使一旁的磁針發生了偏轉 隨後幾個月 奧斯特又進一步深入研究 他發現運動的電荷流 也就是我們現在所稱的電流 能夠讓導線產生磁力 這個磁力使得磁針 沿着以導線爲中心的圓形切向偏轉 這是個令人匪夷所思的實驗 很快 消息就傳遍了歐洲大陸 又傳過了英吉利海峽 運動的電荷可以產生磁力 電和磁之間還有其他聯繫嗎 那磁鐵 是不是也能反過來作用於電荷呢 1831年的時候 剛纔我們說到的法拉第 在他的實驗筆記中 記錄了一個重要的發現 他接通了一個 纏繞着鐵棒的線圈 讓鐵棒磁化 在這一時間 他發現另一條 繞着同一鐵棒的線圈中 有電流通過 顯然 簡單的將導線放在磁鐵旁邊 沒法在導線中產生電流 可是在磁鐵出現 或者消失的過程中 導線裏產生了電流 接下來法拉第 讓磁鐵在導線周圍移動 同樣的效應又一次出現了 當磁鐵接近或者遠離導線的時候 導線中就有電流通過 和電荷的移動產生磁力一樣 磁力的移動 或者是磁場強度的變化 也能產生電力 並且讓磁鐵旁邊的導線產生電流 電磁感應現象裏 隱藏着極爲深刻的理論意義 如果你看不出來 也不能怪你 揭示這個隱藏意義的過程 其實相當微妙 還得等19世紀最偉大的 理論物理學家來完成 這個人我們一會兒再來聊 這個時候 法拉第就發明了一個 極爲重要的物理概念 這個概念解決了牛頓 中期一生都沒有解決的難題 它同時也成爲了 所有現代物理的根基 法拉第就自己問自己 一個電荷 怎麼知道遙遠的地方 出現了新的電荷 進而相互之間產生電力呢 同樣的問題 牛頓也想過 只不過他考慮的是引力 地球是怎麼知道太陽的存在 進而相互之間產生出引力呢 引力到底是怎樣 從一個物體 傳導到另外一個物體的呢 這個疑問 牛頓一生都沒有回答出來 在法拉第的想象裏 每個電子都被電場所包圍 在他看來 電場就是一處以電荷爲中心 向外發出的線 當電荷增加的時候 電場線的數量也會增加 那將一個電荷靜置 再在它的周圍 加入一個測試的電荷 測試的電荷 會感受到原先的電荷 在那一點處產生的電場 施加在測試電荷上的電力的強度 與該處電場線的密度 就成正比 由此 法拉第並沒有使用數學方程 而是通過腦海中的圖像 描述了電力作用的本質 與此類似 我們能夠通過磁場 來理解各種磁力定律 有了電場和磁場這些物理概念的幫助 我們就能重新表述一遍 法拉第發現的電磁感應現象了 電線圈裏的磁場線的增減 會在線圈中產生電流 很快 法拉第就意識到 他的發現可以將機械能轉化爲電能 如果在水車的葉片上附上線圈 再把水車置於一個大磁場裏 那麼當水車旋轉的時候 通過線圈的磁場數量 就會發生持續的改變 從而就產生持續的電流 法拉第發現電磁感應的那一年 另一位偉大的科學家剛好出生 他就是詹姆斯·克拉克·麥克斯韋 法拉第比麥克斯韋大40歲 他也啓發了麥克斯韋的研究 在很年輕的時候 麥克斯韋就開始關注電學和磁學 在和法拉第會面之後 麥克斯韋將這門蓬勃發展的學科 視爲自己的研究重點 麥克斯韋通過自己的數學天賦 來重新描述和理解了法拉第的各種發現 麥克斯韋給出了法拉第的立場線背後的嚴格數學 他也因此進一步探索電磁感應的現象 那爲了完成電磁統一的理論 麥克斯韋藉由法拉第的工作 來揭示電和磁之間的對稱關係 簡單的說 在之前我們說奧斯特的實驗裏 移動的電荷產生了磁場 而在法拉第的實驗裏 變動的磁場產生了電場 在1861年的時候 麥克斯韋第一次將以上的結果表述爲數學公式 可是很快 他發現自己的公式並不完備 磁場和電場看起來還是不夠對稱 電荷必須通過移動才能產生磁場 可是磁場不需要移動 僅僅發生強度上的改變就能產生電場 麥克斯韋就認識到 爲了讓這些描述電和磁的方程完備且自洽 就需要在這些方程里加入額外的一項 麥克斯韋稱爲位移電流 這個方程本身我們不需要關心 我們只需要關心麥克斯韋做出的一個推論 也就是移動的電荷 也就是電流 確實能夠產生磁場 可是移動僅僅是電場改變的一種方式 或許不需要移動電荷 僅僅改變電場的強度 也能產生磁場 他就認爲 把兩塊平行的金屬板 連接到電池的兩極上 在電池的作用下 這兩塊板會帶上相反的電荷 這些電荷會在兩塊板之間產生電場 如果用一根導線連接這兩塊板 導線上也會產生出磁場 當麥克斯韋在他的方程中加入位移電流之後 他的公式終於實現了數學上的自洽 位移電流就像是一種虛擬的電流 它在兩塊金屬板之間流動 兩塊板之間真實的電場變化 就是位移電流所產生的電場變化 兩塊板之間產生出的磁場 也就是位移電流所產生的磁場 那麼電和磁之間的關係 可以簡單的表述爲 電場的變化產生出磁場 磁場的變化也能產生出電場 不經意之間 原本存在於數學公式中的場 變成了真實的物理存在 而不僅僅是描述電荷相互作用的一種手段了 電和磁變得不可分離 我們再也不能拋開磁力談電力了 自從麥克斯韋以後 人們不再將電力和磁力視作兩種不同的力 因爲這兩種力 其實是同一種力不同的表現形式 麥克斯韋就是這樣 通過優美的數學語言 構建了電磁學的基本法則 這個還沒有完全體現麥克斯韋的聰明才智 別忘了我們前面說的光 它是世界上最基本的物理存在 是我們最司空見慣的事物 可是上至柏拉圖下至牛頓 在這些偉大的自然哲學家看來 光依然是神祕莫測的 而麥克斯韋通過數學向我們揭示了光的本質 讓我們來做這麼一個思想實驗 上下抖動一個帶電的小物體會發生什麼事呢 是的 電荷周圍帶有電場 當你移動電荷的時候 電場線的分佈就會發生變化 根據麥克斯韋的理論 電場的變化會產生磁場 而當電荷反向運動的時候 磁場的方向也會發生相應的翻轉 我們不斷上下抖動這個電荷 電場的方向不斷改變 它就不斷感應出磁場 而磁場的方向也不斷改變 磁場的變化又會產生電場 於是我們又有了新的感聲電場 如此往復 抖動着的電荷不斷在它的左右 產生新的電場和磁場 隨着電荷的上下抖動 電場和磁場不斷的衍生 就向外傳播 形成了電磁的擾動 這一切都遵循麥克斯韋的電磁學方程 電磁擾動形成了波 它就是電磁波 麥克斯韋還做了一件更了不起的事 他計算了電磁波的傳播速度 他的推導是這樣的 我們能夠測量 兩個已知電荷之間的電場強度 電場強度和這兩個電荷的成積成正比 那我們就可以把電場強度 和電荷成積之間的比例係數 定義爲A 與此相似 我們也可以測量 兩塊電磁鐵之間的磁場強度 電磁鐵的磁場 取決於所加的電流 那兩塊磁鐵之間的磁場強度 和所加的電流的成積也是成正比的 我們就可以把磁場強度 和電流成積之間的比例係數定義爲B 麥克斯韋就指出 振盪電荷產生的電磁擾動 它的傳播速度 完全由電場強度和磁場強度決定 它們之間有確定的公式 如果我們能夠從實驗室裏 得知比例的係數A和B 我們就能知道電場和磁場的強度 從而知道電磁波的傳播速度 當麥克斯韋將實驗的數據帶入公式之後 它就得到了電磁波的傳播速度 每秒鐘30萬公里 這裏你需要注意 這個電磁波傳播的速度 並不是我們先測量距離 再測量時間 然後用距離除以時間算出來的 而是用電場和磁場的強度算出來的 那在普通人看來 以上這個數字可能沒有什麼意義 可是電光火石之間 麥克斯韋知道 這個就是光的速度 1862年 麥克斯韋就記錄了 他第一次推出電磁波傳播速度時的感受 他是這樣說的 我們難以迴避這一推斷 光與銅介質中引起電磁現象的 橫波具有一致性 換句普通話說 光就是一種電磁波 爲什麼會有光 這個問題困擾了人類2000年 而正是麥克斯韋論文中的這一句話 讓這道難題塵埃落定 麥克斯韋之前 人們信仰神明 通過創世紀來獲得智慧 縱使天才如牛頓 也只能依賴宗教來理解光的起源 但是在1862年 一切都變得完全不一樣了 下一個偉人的出場 又是一次冥冥中的巧合 1879年 偉大的麥克斯韋去世了 這一年 愛因斯坦出生了 如果沒有麥克斯韋的發現 愛因斯坦無法成爲愛因斯坦 麥克斯韋和法拉第 分別爲人類創建了光學和電磁學 新一代的科學家們 在成長的過程裏 不得不和他們死纏爛打 而愛因斯坦 正屬於他們中最早的那一代 早在少年的時代 愛因斯坦就機敏地察覺出 麥克斯韋的電磁學理論雖然優美 但是背後卻隱藏着一個重大的問題 這個問題是 麥克斯韋方程組 和伽利略的相對性原理是不相容的 這個相對性原理比較簡單 咱們可以說幾句 伽利略論證過這麼一個想法 沒有人也沒有實驗 可以區分靜止狀態和勻速運動狀態 對於所有處於靜止 和勻速運動狀態的觀測者而言 物理定律是保持不變的 也就是說 你不可能通過實驗 分辨出一個物體是靜止的 還是勻速直線運動的 當我們抬頭看天的時候 很容易發現 相對於我們飛機是運動的 可是無論在地面上 還是在飛機上 無論你做什麼樣的實驗 都沒法分辨出 到底是地面靜止 飛機在動 還是飛機靜止 地面在動 愛因斯坦的學術生涯 就始於這片智慧的高地 他很快就發現 這裏面藏着一條深不可測的巨大鴻溝 伽利略和麥克思維的理論之間 存在着不可調和的矛盾 那根據伽利略的理論 只要我安安穩穩的 以一個恆定的速度開車 不突然加速 車裏面的物理學 和實驗室裏的物理學就沒有差別 如果車後座裏有一個女兒 拋起一個玩具 她一定能穩穩的接住 在家裏玩耍建立起來的直覺 同樣適於在車裏 而如果小女兒把玩具扔向我 這個玩具就會完全遵循牛頓定律 以每小時24公里的出速度 在空中畫出一道漂亮的拋物線 然後落在我的後腦勺上 那麼讓我們把這個車速 暫時定爲每小時16公里 車外面的路人 會看到車內的景象是這樣的 玩具相對於車的速度 比如說是每小時24公里 和車本身的速度 每小時16公里相互疊加 變成了每小時40公里 這個玩具還是會遵循牛頓的運動定律 只不過是以更快的速度 每小時40公里砸向我的腦袋 到目前爲止一切都說得通 可是假如後座的女兒 扔出的不是一個玩具 而是用手電筒發出一束光 在一個路人看來 又發生了什麼呢 常識告訴我們 在路人的眼裏 從我女兒手裏傳出的光的速度 應該等於車的速度 加上這束光本身的速度 然而麥克思維電磁理論 卻告訴了我們另外一番事實 只要知道震盪的電荷 產生的電場和磁場的強度 麥克思維就能算出 電磁波的傳播速度 按照這個邏輯 如果我的女兒 在車上觀測到的光速是c 而地面上的觀測者 發現光速是c加每小時16公里 那麼他們兩人觀測到的 電磁場的強度就會不一樣 這一點可就直接 和伽利略的相對性原理相違背了 如果兩個觀測者 觀察到的電磁場強度不一樣 那我們就能知道 誰是運動的 誰是靜止的 由此看來 伽利略和麥克思維之間 只可能有一個人是正確的 兩個人不可能同時都是對的 那大概是因爲伽利略的工作 誕生於物理學的萌芽時期 多數的物理學家 更傾向於支持麥克思維 他們認爲 宇宙中存在一個絕對靜止的座標系 麥克思維理論只適用於那個座標系 所有相對於絕對靜止座標系 運動的觀測者 將會測到各自不同的光速 畢竟如果電磁波 真的是某種電磁的擾動 那麼電磁波到底是擾動什麼介質呢 千百年來 哲學家們一直認爲 世界上存在着一種叫做以太的物質 它無色透明 填滿了整個空間 類比於聲波 人們自然而然的認爲 電磁波應該在以太裏傳播 電磁波在以太中 以一個固定的速度傳播 也就是麥克思維算得的光速 那所有相對於以太運動的觀測者 所測到的光速 取決於他們運動的快慢 也會有高或者有低 愛因斯坦的天才之著 不在於他的數學能力 而在於他的創造力 在於他的智力自信 以及由此而來的堅持不懈 他面臨的巨大挑戰在於 怎樣才能融合兩個互相矛盾的觀點 留住一個拋棄一個 其實比較容易 而同時保住兩者 移除他們之間的矛盾 則需要偉大的創造力 那如果麥克思維和伽利略都是對的 我們就必須打破二者之外的某個東西 才能消除他們兩個之間的矛盾 究竟要打破什麼呢 麥克思維和伽利略同時都對的想法 看似有點瘋狂 他的結論是 如果兩個人都對 那麼在上述我們說到的例子裏 車裏和地上的觀測者 所測得的電磁場信號必須相同 那麼由此計算出來的光速也必然相同 換句話說 無論你運動的有多快 光速對你來說都是不變的 接下來 愛因斯坦就向自己提了這麼一個問題 到底怎樣測量光速呢 最常見的方法 就是測量某段時間內物體運動的距離 我們就能測出物體的速度 據此 愛因斯坦就認爲 只要兩個觀測者在同樣的時間間隔內 比如說兩個觀測者在各自的座標系裏 取一秒鐘的時間 在這樣相同的時間間隔裏測量光 相對於自己的傳播距離 那麼這兩個觀測者在各自的座標系裏 一定會測到相同的光速 那進一步的推論就是 如果兩個觀測者測到的光速始終一樣 那麼這兩個觀測者對於距離 愛因斯坦由此就大膽斷言 類似的怪事真真實實的存在 麥克斯韋和伽利略都是正確的 所有的觀測者 無論它們相對速度如何 都會發現光以同樣的速度c 相對於自己運動 而它們之間真正的不同 在於它們對於時間和距離的理解是不同的 在日常的生活裏 我們常常覺得 自己和周圍的人所看到的東西是一樣的 因爲我眼中的現實就是你眼中的現實 可惜這個不過是個錯覺 怪就怪光的傳播速度太快了 有時候我們會說此刻發生了某件事 比如說街上出了車禍 可以準確的說 這些事並非發生於此刻 而是發生於此刻之前 光從車禍現場進入我們的眼睛 需要一點點時間 在認識到這一點之後 愛因斯坦提了這樣的一個問題 如果觀測者A看到兩個異地的事件同時發生 那麼相對於A運動的觀測者B來說 它又會看到怎樣的景象呢 爲此愛因斯坦舉了一個和火車有關的例子 我們想象一下這個場景 觀測者A站在列車中央 它靜止不動 觀測者B也在列車中央 只不過它是隨着火車向前運動的 也就是它在車裏往某一個方向走 走的方向和火車的運動方向正好是一樣的 那在某個時刻 它們擦身而過 而正在這個時刻 一道閃電同時擊中了火車首尾兩端所在的地面 兩處開始冒煙 對A來說 首尾兩處的煙發出的光 會在一小會之後同時進入A的眼簾 可對於運動者的B來說 情況就有點不一樣了 因爲它在往車頭的方向走 所以它會先看到車頭方向的煙發出的光 而此時此刻 車尾的煙發出的光 過了一小會 B也會看到來自車尾的煙 由於B正好處在列車中間 又由於光以同樣的速度C相對於B運動 B於是就得出結論 車頭比車尾先冒煙 那A和B到底誰對誰錯呢 愛因斯坦的答案有點驚人 A和B都是對的 愛因斯坦指出 物理量測量方式定義了物理量本身 我們當然可以想象一個 獨立於測量方式的真實的世界 可是從科學的角度來說 這個假設是行不通的 如果觀測者A和B在同一地點 在同一時間測量同一個事物 那他們的測量結果肯定是相同的 可是如果A和B相處於遙遠的兩個地方 那麼A和B的測量結果很可能不同 B所進行的每一次測量都在告訴B 車頭髮生的事件優先於車尾發生的事件 而A所進行的每一次測量都告訴A 兩處的事件是同時發生的 對於A或B而言 他們都無法在同一時間身處兩地 如果想要測量某個遠處事件發生的時間 他們必須對遠處進行觀察 而這些觀察又取決於遠處事件所發出來的光 在對光信號進行測量之後 A和B所得的不同 造成了他們對遠處事件同時性的不同理解 從這個意義上來說 由此可見 此處此時專屬於某個時間某個地點 我們不能把一個地方的此時強加給另外某個地方 下面我們可以再來舉一個更加匪夷所思的例子 談談我這麼說的原因 假設有第三個觀測者C 正好坐着和B反向的列車通過車站 那麼由於他的運動方向和B是相反的 所以在他看來 左邊的事件反倒是先於右邊的事件發生的 換句話說 C和B的觀測結果完全是相反的 他們觀察的視線次序是互相顛倒的 一個人眼中的先來 在另一個眼中變成了後到 這個好像是個相當嚴重的問題 在我們所理解的事件裏 原因總是先於結果發生 可如果事件的先後會因爲觀測者的不同而不同 那麼因果律又會發生什麼變化呢 愛因斯坦指出 由光速不變引發的時間次序顛倒 只可能在兩個距離遙遠的事件之間發生 相對於兩個事件之間的時間差 光在兩個事件之間傳播所花的時間總是更長 這也就意味着 如果光速是所有速度的極限 那麼在這段時間裏 由一個事件發出的信號到不了另一個事件 兩個事件完全沒法相互影響 也就沒法互相爲因果了 可如果兩個事件發生於同一個地點 那麼不同的觀測者還會對兩者的先後有不同的意見嗎 爲了回答這個問題 愛因斯坦想象列車的一側裝有一臺理想化的鐘 在列車的另一側相應的位置裝有一塊鏡子 注意這裏說的列車兩側是垂直於列車運動方向的兩側 也就是列車的A座和F座 不是指列車的車頭和車尾 這個鍾向對面發射光線 光線經由鏡子反射折回鍾 此時時鐘的秒針會走一格 那我們可以假設光每走一個來回 用到的時間是百萬分之一秒 在車上的人看呢 光線是筆直的走了一個來回 現在讓我們考慮一下地面上的觀測者會看到什麼樣的場景 火車在運動 就站臺上的觀測者而言呢 鍾和鏡子都在運動 光線折返這一個過程啊 走過的是一條斜線而不是一個直線 顯而易見 對比火車上的觀測者 地面上的觀測者發現光的傳播距離更長 然而光線的傳播速度對他來說也是一樣的 還是c 所以整個來回過程會花更長的時間 於是呢 火車上的百萬分之一秒 對地面上的觀測者而言 就是百萬分之二秒 換句話說 在他的眼裏 火車上的時間變慢了 而讓人感到奇怪的是 這個效應是雙向的 如果站臺上也有同樣的這麼一套裝置 那在站臺上的人看來 這套裝置裏的光是直線來回跑的 但是在火車上的人來看 因爲站臺是相對於火車移動的 他眼中看到的光線來回的路線也是一條斜線 所以他就會發現 火車上的鐘沒走兩格 地面上的鐘才走一格 換句話說 火車上的人 會認爲地面上的人所經歷的時間更慢 如果你非要認爲 存在一個絕對客觀的觀察者 那這兩個人觀察到的其實都是假象 可是不要忘了 我們之前說過 測量即爲現實 對於A和B來說 他們測量到的結果都是真實的 那對他們的座標系來說 這個結果就是真實的 那麼光速不變 還會帶來另外一個效應 也是最爲詭異的一個 這個效應 能夠改變我們所見所感的物體的物理屬性 如果我帶着一把尺子飛速向你奔過來 那麼你看到的尺子長度 會短於我看到的尺子長度 比如說 在我的眼裏 尺子有10釐米長 可是在你的眼裏 尺子也許只有6釐米長了 你可能會想當然的說 這一定是個錯覺 同樣的東西怎麼可能有兩個長度呢 對我而言 鬆散排列的原子 不可能爲了你 而緊緊的擠壓在一起 讓我們再次回到那個老問題上 到底什麼才叫真實 如果在每一次測量之後 你都發現我的尺子有6釐米長 那麼這把尺子就是有6釐米長 長度不是一個抽象的物理量 只有通過測量 我們才能知道物體的長度 由於測量因爲觀測者不同而不同 所以長度也會因人而異 爲了闡明這一點 接下來我們再來舉一個例子 通過它 我們會看到相對論 怎樣又一次自圓其說 假設我的汽車有3.6米長 你家的車庫只有2.4米深 顯然我的汽車 無法停進你家的車庫對吧 可是根據相對論 只要我把汽車開的足夠快 你就會測得我的汽車只有1.8米長 至少在我的汽車還在運動的時候 汽車能夠停進你家的車庫 然而如果我們轉換一下視角 對於開着汽車的我來說 汽車有3.6米長 你家的車庫正在飛快的朝我運動 如果我對它進行測量 我會發現車庫不再有2.4米深 它的深度僅僅有1.2米 顯然我的汽車更停不進你的車庫了 那到底哪個觀點纔是正確的呢 顯而易見 汽車不可能既停得進車庫 又停不進車庫對吧 可是等一下 這個真的是顯而易見的嗎 讓我們先回到你的視角 假設你給車庫前後裝了大門 爲了保證我的汽車安全入庫 你進行了下面的操作 在我的汽車駛入車庫的過程中 你保持車庫的後門關閉 前門是打開的 當我的汽車徹底進入車庫之後 你再關閉前門 而與此同時 你要快速的開啓後門 以保證我運動着的汽車 能夠安全的從後門駛出去 通過以上這些步驟 你展示了汽車停車入庫的過程 當然這沒有什麼奇怪的 畢竟在你來看 我的汽車比你的車庫要短嘛 現在回到我的視角 請記住 對我而言 距離遙遠的事件的先後順序 可能和你是不一樣的 以下是我的觀察 我看到你那小小的車庫 就在我的前方 你打開了前門 好讓我的汽車駛入 接下來我會看到 就在我撞上車庫後門之前 你善解人意的打開了後門 再後來 當我的車尾駛進車庫後 我看見你把前門關閉 所以在我看來 我的汽車沒能在前後門 同時關閉的情況下 完全進入你的車庫 畢竟你的車庫太小 不可能做到這一點 你我所見的現實 基於你我可能進行的測量 在我的參考系裏 汽車比車庫長 在你的參考系裏 汽車比車庫短 事實就是這樣 其中的關鍵在於 在某個時刻 我們只能身處一個地方 我們對於那個地方的現實 有清晰的認識 可是當我們考慮真實世界的 其他角落的時候 我們只能依賴遠處的測量 這些測量會因爲觀測者而已 咱們換句話說 在日常的情況下 因爲無論是車庫還是車 它們的長度 都遠遠小於光走過的距離 所以我們認定 要麼停進車庫 要麼沒停進 但是在現實的宇宙裏 我們要觀測到這種差異 車和車庫的長度 都必須非常非常的長 那在這種遙遠的距離下 我們根本就不能把車 有沒有停進車庫 當成一個絕對客觀的事件來判斷 在這種距離下 光從車頭傳到車尾 需要花一定的時間 那麼車頭通過後門 和車尾通過前門 它們就不能視爲同一個事件 而是有先後順序的兩個事件 這兩個事件 在不同的觀察者眼裏 會有先後順序的不同 這個故事之所以這麼燒腦 這麼難以理解 就是因爲愛因斯坦在《相對論》裏 揭示了一個全新的現實世界 它基於伽利略的相對性原理 以及麥克斯威的電磁統一理論 這個新世界抹除了現實的客觀性 現實完全取決於主觀測量 產生了這麼多奇怪的推論 原因就在於 我們相信光速是不變的 那我們之所以相信光速是不變的呢 又因爲光是一種電磁波 它的速度取決於電場和磁場的強度 那之所以電場和磁場的強度 在不同的運動速度下保持不變 又是來自於伽利略的相對性原理 所以當我們質疑光速不變的時候 我們質疑的 不是簡單的距離除以時間的一個測量結果 我們真正質疑的 是物理學發展中這一步一步的推演 你別忘了 這些理論推演出最後的結論 光速不變 它只是一個副產品 那這些理論本身 還有其他非常偉大的作用 它們在無數的實驗裏得到了印證 你要推翻它們 就不僅要推翻光速不變 還要推翻 由它們推演出來的整個物理大廈 最後我們再來說一下 科學界對於這些怪異的相對論現象 給出的一個解釋 這個就得說到思維時空了 在上個小節的答疑裏 我給你講了一個 柏拉圖洞穴裏囚犯的故事 囚犯們看不到身後的事物 只能看到事物投射在牆上的影子 如果一個尺子在他們身後旋轉 他們看不到旋轉的現象本身 只能看到投射在牆上的影子 會一會變長 一會變短 如果我們從空中俯瞰 很容易就能看到 牆上的投影之所以變短 是因爲尺子以某個角度對着牆面旋轉 那在這樣俯視的視角下 我們會看到尺子的長度其實是固定的 光速的不變性 以及愛因斯坦所揭示的 全新的時間和空間的關係 反映了二者之間深層次的聯繫 觀測者們 其實都是生活在四個宇宙中 在這裏 時間和空間的地位是均等的 不同運動速度的觀測者們所看到的 只不過是四維宇宙不同的三維投影 讓我們回頭看看 相對論中的那把尺子 如果我們觀察移動中的尺子 也就是尺子的速度很快 我們的速度很慢 我們就會發現尺子的長度縮短了 我們觀測的是在四維時空中移動的物體 在三維時空中的投影 它在第四維上的長度越大 也就是時間維度上的速度越快 那在三維空間中的投影就越短 可如果觀測者 跟隨着尺子以高速運動 尺子的長度對他來說就是不變的 尺縮效應 以及其他所有的相對論效應 都可以通過時空這個角度加以理解 在四維時空裏 存在着一個對所有觀測者 都一樣長的時空長度 不同觀測者所看到不同的三維景象 其實都是這個長度旋轉的投影 所以說 從表面上來看 愛因斯坦的相對論 讓物理世界變得更主觀 因人而異 可事實上 相對論並不相對 它其實是一套關於絕對的理論 觀測者對於空間或者時間的測量 或許是主觀的 但對時空間隔的測量 卻是普世的 也是絕對的 誰能想到法拉第的轉輪和磁鐵 最終徹底改寫了我們的時空觀呢 可從事後諸葛亮的角度來看 至少我們知道 電磁大統一 早已爲我們揭示了一個全新的世界 讓我們再次回到 法拉第和麥克斯威的時代 這一系列革命 始於帶電粒子在磁場中運動的時候 受到一個特殊的力 我們現在稱這個力爲洛倫茲力 現在讓我們站在粒子的角度 來思考同一個問題 在粒子的參考系裏 磁鐵運動 而粒子本身是不動的 可通常來說 我們認爲靜止的帶電粒子 不可能受到磁力 它只能受到電力 換句話說 在粒子的參考系裏 粒子所受的力 只能是電力 而不是磁力 一個人眼中的磁力 在另一個人眼裏 看來就是電力 而連接二者的 就是物體的運動 相對運動的觀測者 會看到不同的現實圖景 這一點正是電磁大統一的核心 運動 這個最早被伽利略研究的課題 在三個世紀以後 爲我們展示出一個全新的現實世界 在這個新世界裏 不但電與磁得到了統一 時間和空間也得到了統一 如果你只看這段傳奇的開頭 沒有人會料想 它竟然會如此波瀾壯闊 而這 正是我們故事的魅力所在 好了 這一期的內容咱們就聊到這 我們下期再見