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第1章

聊聊狭义相对论-第1章

小说: 聊聊狭义相对论 字数: 每页4000字

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    大家赶快穿好运动鞋,带上装备,拿好旅行包,下面我将带着大伙出发一块到奇幻的相对论世界去冒险。出发之前,我得交代几句,听清楚了喔! 
    相对论从一开始就以奇怪著称。有人曾说,相对论刚发表时全世界只有12个懂。还有个经典对白,全世界只有3个人懂相对论!恩,除了我和你,我正在想第三个人是谁?再有,相对论创始人爱因斯坦与卓别林在聚会中碰面,卓别林道,大家欢迎我,是因为大家理解我;而大家欢迎你,则是因为大家都不理解你。是的,相对论的“好玩”可见一斑。 
    你必须时刻保持一个清醒的头脑,常识并不一定就是正确的,反倒往往是错误的。常识常识,就是大家的共识,记住,天才的认识往往跟常人不一样,要不,天才怎么可以叫做天才呢?只有突破常识,才可以成就英雄。来吧,让叛逆来得更猛烈些吧!时代需要异端!(好像偏激了点) 
    在接下来的旅途中,你将会深刻地认识到这一点。常识往往蒙骗了我们,使我们止步不前,而每一次向常识的挑战,都使人类迈进了一大步。因此,我们要敢于打破旧思想、旧观念,接受新的观点,新的、有事实根据的观点。 
    我必须得申明,这是一篇不太严肃的介绍相对论的文章,个别地方为了更容易理解,可能已经做了处理,甚至在一些描写中也做了文学加工,不过,这一切都是为了更容易接受、轻松和通俗。但我尽量做到有根据。因此,诸位不要把它当作绝对的事实,一句话,如果想要真正查证相对论的历史,还应回到那些准确的文献中去。 
    想必你已经雄心勃勃,充满信心,充满憧憬了吧。OK,深舒一口气。记下你现在对相对论的了解和感觉,从而可以与旅途结束后有个比较,这挺重要的。 
    Are you ready?Let’s go! 
    旅途从一座金碧大厦的建造开始。 
    这是一块优美的土地,人杰地灵。在一望无垠的大海的怀抱中,绿树萦绕,和风轻抚,白云朵朵,鸟语花香,日后温暖的阳光和谐地洒在这片阔土上,一切都是那么的安静祥和。这里的人们世代过着恬适的田园般的生活,正是在这种自由、平等、博爱的环境中,走出了一代又一代、一位又一位人类的杰出代表、开路先锋。现在,我们的足迹已经踏上了悠久的欧洲大陆。 
    中世纪的人们是非常团结的,大伙在教会的领导下,众志成城组成了支持“地心说”的统一战线,所向披靡,赫然一个超级大联盟。时代总是有那么一些“反革命分子”,总喜欢跟大众站到对面去,而事实又证明,他们似乎往往却是正确的。有一位名叫哥白尼的波兰教士举着横幅“打倒地心说”,义愤填膺。 
   “地心说”是这时候人们显而易见的常识。地球是宇宙的中心,而其他星星,包括太阳、月亮,都在不断地围绕着地球旋转。是的,这是毋庸置疑的,太阳每天从东方升起,西方降落,还有斗转星移,这都是人们耳濡目染的事实,它不就证明了“地心说”吗?况且,上帝创造了子民,理所当然地要放在宇宙的中心嘛!《圣经》不是早说了吗?哥白尼那个疯子!不识时务!瞎搅和!也正因如此,“地心说”在这时的欧洲占统治地位,禁锢了人们的思想达千年之久。 
    可是,说实话,“地心说”着实有那么一些不太漂亮的地方。托勒密为了解释解释星辰的运动,不得不引进均轮和本轮,均轮就是行星绕地球的圆周运动,而本轮,指的是行星在绕地球运动的同时,又自己在做小的圆周运动(瞧,这多别扭!)。而且,在预言行星位置的时候,还得假定行星有时候离地球远些,有时又近一些。总之,“地心说”露出了那条不太完美的小辫子。 
    而历史也开了个玩笑。还真有那么一个爱捉小辫子的家伙,他正是哥白尼。哥白尼花了近四十年的时间,潜心观察日月星辰的运动并纪录下他们的位置(诸位想一下,那时没有望远镜,没有计算机,哥白尼那才叫型呀!)。日复一日,年复一年。最后,他惊奇地发现,如果将太阳作为宇宙的中心,而换成地球和其他星星围绕太阳转的话,前面的不完美就会不复存在,对行星运动的描述就会相当的简单,可是,这明显跟常识是相悖的。 
    哥白尼并没有那么潇洒,“什么常识!让它去见鬼吧!”一句话就干掉了“地心说”。我们试想一下,说这样的话干那样的事情在那时是要掉脑袋的,掉脑袋的事情谁敢鲁莽行事?时代的精英也得给时代屈服呀!哥白尼毕其功于一役,最后写成了《天体运行论》,提出了“日心说”,却辗转不敢公开发表,最终,在1543年,在朋友的劝导下,才在去世前将书籍公诸世人,之后流芳百世。 
   “长江后浪推前浪”,“江山代有才人出”,这或许应该是我们人类的幸运吧,一个名叫布鲁诺的意大利人接过了历史的重任,开始宣扬前辈的“日心说”,公开支持哥白尼的思想。在时代的发展潮流中,与时代抗争,往往会付出自己的性命,不过却会赢得身前生后名,这,或许是英雄们的宿命。布鲁诺被教会判为“异端”,最后为了科学被用火活活烧死!不过,时代最后也给了他应有的位置,在科学的发展史上留下重重的一笔,也成为了我们心中永远的英雄! 
    历史的车轮滚滚前行,失之东隅,收之桑榆。继续接过接力捧的是意大利科学家伽利略和德国天文学家开普勒。而他们也将铸造科学的辉煌。 

 1590年的这一天,风和日丽,不过俗话说得好:“暴风雨来临之前总是宁静的”,或许这也是现在最好的写照吧!希腊先哲亚里士多德的“粉丝”们听说有个不识大体的家伙要公开挑战自己的偶像,一个个愤愤不平,一溜烟地拥到比萨斜塔前打抱不平。一个名叫伽利略的小子拿着两个铁球,一步一步走上了斜塔(如果要加个画外音的话,“这是伽利略的一小步,却是人类科学的一大步”该是挺合适的!)。在这之前,所有的人们都紧密地团结在亚里士多德中央周围,坚定不移地拥护这样的信条:重的物体要比轻的下落地快。这不也是常识嘛!还用说。可是,现在竟有人要“革命”,当反动派,真是吃饱了撑着。全场死一般寂静,伽利略那小子站在斜塔上,看了看下面的人们,心里很是复杂,一来自己是正确的,难以抑制那一种发现了科学真理的兴奋,这是科学家都会有的;再来,这一扔,会给自己带来什么呢?赞赏?那不大可能,在这一种唯信条至上的社会,做梦去吧。或许,这一扔之后,我就进了囚室吧!来吧,是福是祸,是祸躲不过,大家别忘了科学英雄的宿命! 
    两只手同时放开,铁球掉下。如果是电影的话,肯定来个慢镜,再不断穿插伽利略和众人的表情,还得衬上紧张的音乐。生活往往是这样,事与愿违,确实,令人痛心的是,那可恶的铁球居然同时着地,妈的,伽利略那兔崽子竟说对了(我想,这句用在这种场合应该是合适的吧!)! 
伴随着铁球那“噔哐”的清脆的响声,亚里士多德也“掉”了下去,而同时,伽利略的名声开始远扬(应该没那么快吧,哎,“聊聊”嘛)。 
    后来的历史证明,伽利略开创了近代科学,也赢得了后世“近代科学之父”的黄金称誉。类似于斜塔实验,伽利略综合运用实验、思维结合数学的手段,发现了自由落体定律、惯性定律、单摆等时性以及伽利略相对性原理。在这里,值得一提的是伽利略相对性原理,我们在接下来的旅途中还会遇到它,而它也将在物理学的发展史,特别是相对论的历史中担任极其重要的角色。而至于伽利略的其他贡献,这里就不提了,否则就有离题的嫌疑了(就是嘛,你不如去写伽利略传记算了)。 
    所谓伽利略相对性原理,即 
    力学定律在任何惯性系中都是相同的。 
    哇,不是吧,这什么来着?俺看不懂,什么嘛,开玩笑!就是,课本或是大家就喜欢将简单的说复杂,将复杂的简单化,糊弄我们大众,将本来属于大家的科学放上了珠穆朗玛峰!我觉得,科学普及嘛,最重要是简单易懂明了,真正搞理论的才追求什么简洁、准确,把科学通俗化,是最广大人民群众的呼声! 
    好,对于伽利略相对性原理,咱们玩个游戏,换种说法:在任何惯性系中,不论是张三的,还是李四的,甚至是王五的,通杀,都行!我们在其中做力学实验,结果都是一样的!是的,我去张三的惯性系做实验,和你去李四的惯性系做同样的实验,结果都一样,丝毫没有差别。 
    慢着,张三我理解,实验结果我还可以想像是什么。老大,什么是惯性系和力学实验呀? 
    恩,惯性系,惯性系。举个例子,现在,我们上了一辆公共汽车,而我又特别无聊,把手机放在一张桌子的桌面上(假设有那么一张桌子在车上),说是要玩什么隔空移物,吹牛!首先声明,桌面摩擦力不算哦。突然间,司机要求要加速启动,说要什么feel。只见,那手机竟然向后加速滑去,然后你要分析一下手机的受力,是的,有个重力,还有桌面对它的支持力,恩,这两个力刚好抵消了,那,还有其他力吗?没有了喔,那手机怎么会加速呢,牛大侠(牛顿)不是说,有力的作用才能加速吗?手机没有受到其他的什么力,它怎么就自个儿动了呢?怪事怪事。难道牛哥错了? 
    先别说那么多,外面站在地上的王五有话说。恩,刚一加速,手机由于惯性,还保持静止,是的,这正是牛顿所说的,没有受力或者受的力抵消了的物体将保持以前的运动,太厉害了,牛兄! 
    哎呀,奇怪,怎么我们和王五见到的事情不同呢?这样吧,我们在车上,自己理所当然地认为自己不动(也便是常说的,以自己为静止参考系),而是手机在动,地下的王五也人之常情地觉得自己不动,是车在加速。所以,我们看到的就有所差别了。 
    对了,还有一个问题,我们和王五,一方觉得牛顿似乎是错了,而另一个却继续“顶”他,Why?是的,问题就在这里,惯性系就出现在这里。恩,凡是认为牛顿定律是不正确的就是非惯性系,而觉得牛顿定律没问题的就是惯性系。因此,我们是非惯性系,而王五是惯性系。注意到了没有,我们是在加速的,而王五是静止的,所以,以后,我们可以简单地认为,惯性系就是静止或在做匀速直线运动,非惯性系则是做变速运动的。而至于“惯性系”“非惯性系”,那是物理学家的学术叫法,我们就将就将就,通俗一点算了。 
    还有,“力学实验”,我们知道,我们身边的物理现象很多很多,像电呀,光呀,温度呀,等等。而我们的力学实验则是指那些没有涉及到电呀,磁呀,热呀这些的实验,而只在力的范围内的实验,比如说,伽利略的斜塔的放开两个铁球的实验(当然,这其中我们不考虑铁球的带电、温度……),就是力学实验。 
    是的。比如,在张三的惯性系中,我们松开手,没错,铁球3秒钟着地。然后,我们到王五的惯性系,在同样的高度松开同样的铁球,是的,它也是3秒钟到地。这两个“3秒钟”,也就是实验

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