相对论⑤鱼缸里的爱因斯坦

一个男人给老婆打电话:“老婆,你开慢点。刚才广播里说高速公路上有辆车在倒车。”

妻子说:“不止一辆车。我见过上百辆逆行的SB车辆。”

爱因斯坦有点像这个傻逼老婆。当所有人都觉得他应该遵守一个公认的规则时,他换了一个角度,发现了一个全新的世界。

物理学家们正试图给光放一个坐标系,把光速放进经典力学的篮子里。当光速的参照系无法用任何方式解释时,他们集体陷入了困惑。

这时,爱因斯坦站了起来。他说:你总是看着光,不喜欢。你考虑过光的感觉吗?

爱因斯坦关于相对论的论文题为《论运动物体的电动力学》。在这篇论文中,爱因斯坦断言-

在所有匀速直线运动或静止坐标系中,物理定律都是一样的。

这句话叫做“相对性原理”,是相对性的两个基本前提之一。

你什么意思?其实是伽利略相对论的延伸。伽利略说“力学”在匀速直线运动和静止运动的所有坐标系中都没有区别。爱因斯坦说,不仅是力学,所有的物理定律——包括电动力学——在匀速直线运动和静止坐标系中都没有区别。

爱因斯坦的相对论对伽利略的相对论有什么补充?

当你做一个静止或匀速直线运动的力学实验,比如把一个小球扔上去,它会毫无区别地落回地面——这就是伽利略的相对论。

你做一个电动力学实验,比如测试光速,当你静止或者匀速直线运动的时候。爱因斯坦说过,在所有匀速直线运动或静止坐标系中,物理定律都是一样的——也就是说,当你做电动力学实验测试光速时,实验结果应该和静止状态下的结果一样。

那么你在匀速直线运动状态下测得的光速应该和静止状态下测得的一样,都是c = 299792458m/s。

例如,说人类的话—

你的车停在停车场。打开灯。大灯发出的光会以光速c向前传播。

当你开车在路上,假设你的车的速度足够快,达到(c-1) m/s,这个时候你打开车灯看到的是什么?前1秒,光只比你的车远1米,前方一片漆黑;第二个1秒,灯在你车前2米,前方一片漆黑...

爱因斯坦说,不,不是这样的!即使你以仅比光速慢1米的速度向前飞行,你看到的光仍然以光速c向前传播。

光速不变是爱因斯坦相对论的第二个基本前提。

怎么会这样?这不是很明显的反常识吗,不同坐标系中的速度不应该叠加吗?我追光的时候光速对我来说不应该是(C-我的速度)m/s吗?

爱因斯坦说,不,不仅仅是光,还有你对时间和空间的看法。

几年前,意大利蒙扎市议会提出一项议案:禁止在弯曲的鱼缸里养金鱼。提案负责人解释说,因为金鱼会透过弯曲的鱼缸看到扭曲的景色——这对金鱼来说很残忍。

你看,外国议员似乎并不比我们NPC和CPPCC的代表和议员更可靠。

先不说委员和提案。让我们考虑一个场景:

假设这些鱼是智能的,其中一条根据自己对鱼缸外部世界的观察,提出了一整套“金鱼物理学”——

比如一个人走到哪里就会变胖,走到哪里就会变瘦,变化幅度是多少。早上一束光从窗户照向鱼缸的曲率是多少?黄昏时,鱼缸从另一个窗口照进来,曲率是多少?

这些规律,经过其他金鱼的不断观察,是完全正确的,非常准确的,所以被奉为解释世界的经典。

过了一会儿,另一条金鱼出现了。经过观察和思考,得出结论:鱼缸外的人大小没有变化,只是呈直线蔓延,没有弯曲。经典的“金鱼物理学”只适用于鱼缸坐标系。

所有其他的金鱼都惊讶地张开了嘴。这个新理论太反直觉了,太反直觉了。怎么可能呢?

你一定想到了第二条金鱼,它的名字叫爱因斯坦。

(万伟刚《精英日班笔记》)