長(zhǎng)久以來(lái),時(shí)間與空間的絕對(duì)性深入人心,人人都認(rèn)為時(shí)間流逝和空間大小是一視同仁的。換言之,每個(gè)人心中的一秒鐘,不會(huì)因人而異,無(wú)論何時(shí)何地,它都如一秒那么長(zhǎng)。 這種認(rèn)知的普遍性不難理解,畢竟時(shí)間與空間的絕對(duì)性與日常生活經(jīng)驗(yàn)緊密相連。而人們總是傾向于信任自身的經(jīng)驗(yàn),這不僅僅局限于人類,動(dòng)物界亦是如此。物種的生存與延續(xù)往往依賴于其所依賴的日常經(jīng)驗(yàn)。 因此,愛(ài)因斯坦提出的相對(duì)論在一開(kāi)始遭到廣泛質(zhì)疑也就不足為奇了。畢竟,對(duì)絕對(duì)時(shí)空的信仰早已根植于人們心中,而愛(ài)因斯坦的理論卻要人們顛覆這種信仰。 然而,在相對(duì)論提出后的一百多年里,無(wú)數(shù)物理學(xué)家反復(fù)證實(shí)了其正確性和合理性,使得相對(duì)論成為現(xiàn)代物理的基石之一。 盡管如此,相對(duì)論的顛覆性仍然使一部分人難以接受,甚至否認(rèn)其合理性。 他們可能覺(jué)得相對(duì)論過(guò)于深邃,“世界上懂相對(duì)論的沒(méi)幾個(gè)人”,但事實(shí)上,經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,相對(duì)論已經(jīng)悄然融入我們的生活,只是未被廣泛察覺(jué)。 下面簡(jiǎn)述相對(duì)論的核心觀點(diǎn)——相對(duì)時(shí)空觀。 傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為時(shí)間與空間是獨(dú)立的、絕對(duì)的兩個(gè)概念。 但愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論告訴我們,時(shí)間和空間不僅具有相對(duì)性,而且彼此不可分割,它們必須共存。 任何孤立討論時(shí)間或空間的行為都是沒(méi)有意義的。設(shè)想一下,你和女友約定見(jiàn)面,你必須告訴她確切的時(shí)間和地點(diǎn),缺一不可。否則,你的約會(huì)注定失敗。 時(shí)間和空間的四個(gè)維度(時(shí)間一個(gè)維度,空間三個(gè)維度)可以用數(shù)軸上的四個(gè)數(shù)字來(lái)描述,唯有確定這四個(gè)數(shù)字,才能準(zhǔn)確界定我們生活中的事件。 在相對(duì)論之前,人們普遍認(rèn)為時(shí)間和空間是絕對(duì)的,不受任何運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響。 但愛(ài)因斯坦卻發(fā)現(xiàn),真正關(guān)鍵的是速度,而且是光速。 我們?nèi)粘K?jiàn)的速度是相對(duì)的,需要有參照物。然而,光速是絕對(duì)的,在任何參照系中都是恒定不變的。 這違背了我們對(duì)速度的傳統(tǒng)認(rèn)知。例如,你駕駛汽車,打開(kāi)車燈,車燈發(fā)出的光對(duì)你和對(duì)地面上的我來(lái)說(shuō),速度都是光速。 這就是光速不變?cè)恚f(shuō)明了光對(duì)任何觀察者都是等速的。 如果整個(gè)宇宙只有你,你無(wú)法判斷自己是靜止還是運(yùn)動(dòng)。而光速的絕對(duì)性意味著光無(wú)法判斷其他物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài),因此對(duì)光而言,靜止和運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的。 這也意味著,光速是宇宙的絕對(duì)“標(biāo)尺”,一切運(yùn)動(dòng)速度都是相對(duì)的。 因此,如果一切都是相對(duì)的,我們將無(wú)法界定靜止和運(yùn)動(dòng),也就無(wú)法定義“對(duì)與錯(cuò)”。好在有了光速,我們有了這個(gè)判斷標(biāo)準(zhǔn)。 如果光速是絕對(duì)不變的,那么時(shí)間和空間必須做出相應(yīng)的改變。 因?yàn)樗俣鹊扔诳臻g除以時(shí)間,既然觀察到的光速相同,那必然有時(shí)間或空間上的差異。 這就是狹義相對(duì)論的核心,解釋了時(shí)間不是絕對(duì)的,不同的觀察者會(huì)因?yàn)樗俣鹊牟煌w驗(yàn)到不同的時(shí)間,這就是所謂的“時(shí)間膨脹效應(yīng)”。 至此,大家應(yīng)該對(duì)相對(duì)論有了基本的了解。當(dāng)然,由于篇幅限制,我只能以通俗方式介紹,實(shí)際上,狹義相對(duì)論的誕生過(guò)程遠(yuǎn)比這復(fù)雜。 然而,也有人質(zhì)疑,除了理論分析,現(xiàn)實(shí)生活中有相對(duì)論的應(yīng)用嗎? 實(shí)際上,相對(duì)論的應(yīng)用與每個(gè)人的生活息息相關(guān),深入我們生活的方方面面。最常見(jiàn)的例子就是衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng),開(kāi)車時(shí)我們都離不開(kāi)它。 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星平均高度約2萬(wàn)公里,速度可達(dá)一萬(wàn)兩千公里每小時(shí),雖然與光速相比并不快,但時(shí)間膨脹效應(yīng)仍然存在,盡管微乎其微。 考慮到導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)精確度要求極高,這些微小的差異會(huì)累積成顯著的誤差。因此,必須校正衛(wèi)星上的時(shí)鐘,使其與地面時(shí)間保持一致。 根據(jù)狹義相對(duì)論,速度較地面慢的衛(wèi)星時(shí)間每天會(huì)慢7微秒,但受地球引力較小的衛(wèi)星,根據(jù)廣義相對(duì)論,時(shí)間每天會(huì)比地面快45微秒。綜合來(lái)看,衛(wèi)星時(shí)間每天實(shí)際上比地面時(shí)間快38微秒。 一微秒僅是百萬(wàn)分之一秒,似乎微不足道,但如果不校正這細(xì)微的誤差,導(dǎo)航系統(tǒng)每天將產(chǎn)生12公里的誤差。 12公里的誤差意味著什么?這足以讓你的導(dǎo)航偏離到太平洋中了! |
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