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光,无处不在。
人类科学发展史几乎就是光的研究史,因为光很可能就是通向宇宙终极之谜的钥匙。
而爱因斯坦正是通过对光的研究,利用光的一种颠覆性的特性,敲开了通向狭义相对论的大门。
下面就一起看一下爱因斯坦如何展现他那天才的大脑,然后提出颠覆性的思维方式。
拿我们日常生活的经验来举例说明,这样更能通俗理解。
你开着一辆小汽车在高速上驰骋,时速为100公里。
太阳落山,天逐渐灰暗下来,这时候你会打开车灯。由于到了晚上,你会把车速降下来,松开油门就可以做到,你会感觉到车速的变化,仪表盘上也能显示出车的速度。
现在假设你的小汽车上安装了某种高科技雷达,能够准确测量出车灯发出的光线的速度,显示是30万公里每秒。
当你把车速降下来之后,车灯光线的速度会跟着降下来吗?
根据我们的传统经验,应该会降下来,用初中数学学过的相对速度就能解释。而且如果你再次加速,光线的速度也应该会跟着加速。
但是,实际上无论是加速还是减速,车灯发出的光线速度都是恒定不变的,都是30万公里每秒。运行方式的改变对光速没有任何影响!
这就相当于你拿着手电筒奔跑,我静止在地面上。对于我来讲,手电筒发出的光的速度仍旧是光速,而不是光速+你奔跑的速度!
为什么会这样?光线为何如此特殊?为何光的速度不会与任何速度叠加?或者说光速与任何速度叠加之后仍旧是光速?
这时候爱因斯坦那天才般的大脑体现得淋漓尽致。
爱因斯坦认为,光之所以如此特殊,是因为时间和空间共同作用造成的,两者可以互相“合作”进行相应的调整,保证光速无论在任何状态下都保持恒定不变。
于是,为了保证光的绝对性,时间和空间就不能是绝对的,就必须是相对的。也就是说,时间和空间具有某种弹性,是可以随时改变的。
为什么日常生活中我们感觉不到时间和空间的改变呢?
因为我们的速度太低了,相对光速来讲几乎可以忽略不计。如果你以亚光速飞行,你所看到的景象将完全不同。
同样还是刚才你驾驶小汽车的例子,这次车速不再是时速100公里,而是亚光速。静止在地面上的我会看到你的汽车长度变短了,还不到一米长甚至更短,而且你手上戴的手边指针速度也开始变慢了,你的一切在我看来都是慢动作!就算你只是打个喷嚏,在我看来可能就花了几分钟时间!
对于你来讲,你并不会觉得自己的时间变慢了。但是当你向车外观看时,会瞬间感觉到异常现象,时间和空间突然发生了猛烈的调整,一切看起来在加速进行中,像电影中的快进一样。同时外面的物体都变长了。
之所以会出现以上“异常”情况,目的只有一个:为了迎合那“调皮”的光速,为了保持光速的恒定。
这就是光速不变原理,光速在任何运动状态下,任何参照系下的速度都是光速!
基于这个原理,加上“相对性原理”,爱因斯坦提出了狭义相对论,彻底颠覆了人们的传统认知。
光速不变原理,其实还包含着更深刻的思想。
光速,第一次把时间和空间联系在了一起。光速,时间,空间三者紧密地“团结”在一起,其中光速就像“老大”,无论外面有任何风吹草动,它就是“纹丝不动”。而时间和空间就像两个“跟班”,为了保证老大光速的“纹丝不动”,自己不得不做出相应的调整。
这其实也暗示了一个更重要的物理现实:你,我,宇宙中的万事万物其实都在不停地做着光速运动!
你可能会提出质疑:别闹,博尔特的百米速度只有9.58秒,怎么可能光速运动呢?
注意,我所说“光速运动”的背景是“四维时空”,不是“三维空间”。而博尔特的百米速度的背景只是“空间速度”,没有包含时间的维度。
在四维时空的背景下,我们都在不停地做着光速运动。如何理解这句话?
狭义相对论告诉我们,时间和空间是有机的整体,而速度的快慢会影响时间和空间,速度越快,时间流逝就越慢。
当你静止不动的时候,只是空间维度的静止,而静止的你在时间维度其实一直在做光速运动,你一直在随着时间的长河不停地奔向未来!
你可能会说:我不想让时间流逝得太快,想慢一点可以吗?
当然可以,只要在空间维度移动得更快就可以了,这就要求你速度必须足够快。当你的速度无限接近光速时,时间就趋于静止了。
空间和时间的关系可以通俗这样理解:两者就像两个方向的速度合成那样,空间和时间速度的合成最终结果就是光速!
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