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本帖被 xgch 执行加亮操作(2023-08-31)
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相对论已经诞生一百多年了，但由于相对论的核心思想完全颠覆了我们对时空的传统认知，所以知道直到今天，仍旧有不少人不愿意相信相对论，质疑相对论。其实质疑本身并没有什么，毕竟科学的确需要质疑，只有经得起质疑的考验，一个科学理论才能成为被大众认可的理论。不过，我们不要把质疑的范围扩大，我们需要的不是想当然的质疑，更不是以自己喜好为基础的质疑，质疑任何科学理论的一个重要前提是：必须充分了解这个理论。不然的话，你连质疑的资格都没有。话说过来，其实任何新理论的诞生都会受到主流科学界的质疑。我们丝毫不用怀疑科学界大佬们“毒辣”的眼光，任何新出现的科学理论都逃不过科学界大佬们质疑的眼光，相对论当然你也不例外。所以，根本轮不到我们普通吃瓜群众去质疑，早就有科学界大佬去质疑了。但质疑的结果大家都看到了，相对论在质疑声中“愈发坚强”，经受住了考验，也成为现代物理学大厦的两大基石之一。当然， 普通人也需要有质疑的态度，但正如刚才所说，在质疑相对论之前，我们需要了解相对论到底是一个怎样的理论。其实“相对论”三个字已经囊括了该理论的精髓，相对论诞生的基础就是相对性原理，当然还有另外一个原理，光速不变原理。首先让我们来看一下何为“相对性原理”。物理学上是这样定义的，在所有惯性系中，所有物理定律都是相同的，也是等价的，没有任何惯性系具有更优越的地位。这种定义其实已经否定的绝对静止参照系的存在，否定了“以太说”和“绝对空间”。何为惯性系？简单讲就是静止或者匀速直线运动的参照系。在惯性系中，你永远无法通过任何实验或其他手段，来判断自己是静止状态还是运动状态。比如说你乘坐一列匀速直线行驶的火车，你并不能单从火车内部判断火车是静止还是运动，你在火车上的感受与静止在地面上的感受没有任何区别。相对性原理当然很符合我们的日常生活认知，相信很多人乘坐火车时都遇到过这种场景，当火车缓缓启动之后，我们总会有一种错觉：感觉自己乘坐的火车仍然处在静止状态，只是旁边的火车在行走。然后不经意间看到站台上的立柱，猛然回过神来，原来自己乘坐的火车已经启动了。但是就是这么一个看似简单的相对性原理，古代人类在漫长的时间里一直没能突破。长期以来，人们一直认为宇宙中一定存在一个绝对静止的参照系，这个参照系的地位高于其他任何参照系。这种思维模式在人们的心目中如此根深蒂固，以至于到了近现代，科学家们发现有点不对劲的时候，仍旧想方设法为“绝对静止参照系”辩护，“以太理论”就是在这种背景下诞生的。说完了相对性原理，接下来的光速不变原理也就简单多了。首先我们需要了解统一电磁理论的麦克斯韦方程组。该方程组堪称人类历史上最美的公式，甚至没有之一。最关键的是，麦克斯韦方程组推导出来的光速计算公式中，竟然没有任何参照系，这在当时的物理学界大佬眼里，太不可思议了。因为我们都知道，任何速度都需要有参照系才有意义。但光速好像是个例外，它不需要参照系，只与真空的磁导率和介电常数有关。言外之意，光速即是一个常数，根据狭义相对性原理，光速在任何参照系中都保持不变。也就是光速不变原理。当时的物理学界大佬看到这样的结果：这怎么可能？看出来了吧，不仅仅是我们普通人，物理学界大佬们一开始也一头雾水。光速不变原理意味着什么？意味着在不同的参照系下测量光速，最终测量的结果都是一样的，完全不符合我们平时使用的速度叠加计算方式，也就是伽利略变换。举个例子就明白了。我静止在地面上，你以0.9倍光速飞行。一束光飞过来，与你飞行的方向相同，在我眼里这束光的速度当然是光速，那么在你眼里这束光的速度又是多少呢？根据我们平时所用的相对速度计算方式，答案应该是光速减去你飞行的速度，也就是0.1倍光速。但事实并非如此，在你眼里，那束光的速度仍旧是光速。这种情况在当时的物理学界一下就炸了锅，因为如果光速真的是绝对的，真的是常数，意味着之前物理学家早已奉为神明的牛顿经典力学将“轰然倒塌”，这是当时的物理学家无论如何都不能接受的。于是物理学界大佬们开始通过各种方式“左右逢源”，他们不敢得罪牛顿这个大佬，但麦克斯韦也不是吃素的，麦克斯韦方程组也足够伟大，他们也不敢得罪。而当时的物理学界大佬洛伦兹就利用一种数学方式：如果时空不是绝对固定的，也就是说，如果一个物体的长度在不同坐标系下并不相同，同时时间长度在不同坐标系下也能不同，就可以满足“光速在所有惯性系中都保持相同”，也就是光速不变原理。于是难题就出现了：要么牛顿力学体系下的绝对时空观错了，要么就是麦克斯韦方程组错了。面对如此难题，当时的物理学界大佬该如何抉择呢？绝大部分物理学界大佬都选择了相信牛顿经典力学，这也是很正常的，毕竟牛顿经典力学统治整个物理学界几百年了，当时的物理学界甚至坚信以牛顿经典力学为基础，整个物理学大厦马上就要完工了。而如今，一个“霸道的”光速竟然突然出现，彻底打乱了物理学界对物理学大厦的憧憬，搁谁都难以接受。而往往是这个时候，就需要一个天才出现，而这次就是大名鼎鼎的爱因斯坦。爱因斯坦选择了相信麦克斯韦方程组，从而在相对性原理和光速不变原理的基础上，推导出了伟大的狭义相对论。当然，爱因斯坦之所以做出如此选择，绝非偶然，也不是如此简单。爱因斯坦一直都对伟大的麦克斯韦方程组情有独钟，也正是麦克斯韦方程组给了他灵感，让他用“如无必要勿增实体”的“奥卡姆剃刀”原理，彻底把“绝对静止参照系”以太“咔嚓”掉了。当时的主流物理学界一直试图维护牛顿经典力学的地位，但也不敢得罪麦克斯韦方程组，于是便假设宇宙中存在绝对的参照系“以太”，以太在宇宙中无处不在，而光速的参照系正是以太。但以太分明就是一个假设的概念，假设本没有什么，科学本来就是大胆假设小心求证，接下来就需要证明以太的存在。但在通过各种实验证明的过程中，不但没有找到任何证据，实验结果反而都指向了以太并不存在。那么，按照“奥卡姆剃刀”原理，以太就没有必要存在了。最重要的是，光速是一个常数，早就在麦克斯韦方程组体现出来了。一个是没有证据的假设，另一个是真实存在的，起码在公式中有体现。到底该如何选择，相信大家都清楚。但为什么只有爱因斯坦选择了相信麦克斯韦方程组呢？我们不能用如今的眼光衡量当时物理学界的发展历程，毕竟时代在发展，任何时代都有局限性。在我们如今看来如此简单的问题，其实要让当时的物理学界大佬做出抉择是很难的。事实上，洛伦兹和庞加莱等物理学界大佬已经无限接近狭义相对论了，刚才说了，洛伦兹甚至用数学手段分析出了时空可能不是固定的，距离狭义相对论仅一步之遥，但就是因为他始终不愿放弃绝对时空观，结果没能捅破通向狭义相对论的那层“窗户纸”。从狭义相对论的诞生过程可以看出，并不需要高深的专业知识，如果你已经了解了经典力学，同时还学习了矢量分析，微积分等知识，你完全可以在“相对性原理”和“光速不变原理”的基础上推导出狭义相对论，还有狭义相对论体系下的所有公式，这一点也不难。到这里，我们明白了，狭义相对论推翻了牛顿经典力学体系下的绝对时空观，提出了全新的相对时空观，但这并不表明牛顿经典力学就彻底玩完了，更不是“啥也不是”了，至于为什么，稍后会给出答案。让我们先接着分析广义相对论是如何诞生的。在狭义相对论框架下，有一个基本前提，那就是：惯性系，也就是静止或者匀速直线运动的参照系。但是惯性系只是一个理想参照系，现实中不可能存在，因为任何物体都会受到力的作用，尤其是引力。如果不能把惯性系扩展到所有的参照系，意味着狭义相对论就有致命的弱点。当然爱因斯坦早就意识到了这个问题，但如何解决这个问题，真的消耗了他不少脑细胞。我们知道了速度是相对的，当然光速除外，没有速度绝对为零的坐标系存在。那么与速度紧密相关的加速度也会是这样吗？有没有加速度绝对为零的坐标系存在呢？按照我们的日常生活经验，加速度的确是相对的，而且有绝对为零的加速度存在，甚至狭义相对论本身也不否认这个事实，更如何我们的生活体验。举个例子，如今市场上就有加速度的测量仪器，可以测量在各种运动状态下的加速度。这就意味着，在绝对封闭的不断加速的火车内，我们是能够测量火车的加速度的。难道加速度是绝对的，而速度就是相对的？宇宙中真的存在任何绝对的东西吗？一个看似简单的问题，纵使爱因斯坦拥有天才般的大脑，也花费了将近十年的时间才解决了这个问题，答案就是：不仅是速度，加速度也是相对的。爱因斯坦认为，在所有的非惯性系中的物理定律，与受到等效引力的坐标系中的物理定律是等效的。引力场与以适当加速度运动的参照系是等价的，这就意味着在所有的参照系中，物理定律都是相同的。这就是广义相对论中的等效原理。正是等效原理，让狭义相对论中让爱因斯坦苦恼的“引力”影响彻底被消除了，从而让普适范围从惯性系直接上升到所有的参照系。具体来讲，任何物体都可以在时空中选取适当的参照系，使得该物体的运动方程中不再含有引力项，也就是说可以让引力从局部消失。等效原理也可以这样表达，惯性质量等效于引力质量。也就是说，加速度的效果与引力的效果是等效的，宇宙中并不存在加速度绝对为零的参照系。举个例子，你在一个绝对密闭的箱子内，箱子以9.8的加速度匀速上升。你闭上眼睛，如果外人不告诉你，你绝对不可能知道自己到底是在箱子里还是在静止在地球上。因为根据等效原理，这两种状态是等效的，无法通过任何物理手段区分。那么，爱因斯坦到底是如何联想到时空弯曲的呢？简单说，完全是爱因斯坦“脑补”出来的，是通过他天才的大脑获得灵感的。当然这种灵感并不是随便迸发出来的。爱因斯坦发现，广义相对性原理与“光线在引力场中弯曲”之间发生了冲突。根据这条原理与等效原理，麦克斯韦方程组在引力场中仍然有效，那么电磁波也应该是直线传播的。但这就与“光线在引力场中弯曲”冲突了，为了调和这种冲突，爱因斯坦大胆提出“在引力场中时空会发生弯曲”的设想，把引力看做是时空的弯曲。也就是说，狭义相对论牺牲了绝对时空观，而广义相对论牺牲了时空的平直性。也就是质量或者引力会引起时空弯曲。举个通俗的例子，如今我国的空间站在围绕着地球旋转，很明显空间站一直在做非匀速运动，同时也会受到地球的引力作用，当时是非惯性系。当然，正是空间站的加速度与引力作用完美抵消，让空间站内的宇航员感受不到非惯性力。也就是说，空间站明明是非惯性系，但里面的物理定律竟然完美匹配惯性系的规律。按照爱因斯坦的时空弯曲理论来诠释，由于引力并不是一种力，而是时空弯曲，空间站看起来是在沿着曲线运动，事实上只是沿着弯曲的时空做匀速直线运动，也就是测地线运动。这里强调一下，我们看到的空间站做曲线运动，只是空间上的感受。但是时空弯曲并不是指空间弯曲，而是时空弯曲，时间和空间都发生了弯曲。这里就来解释一下既然引力的本质是时空弯曲，为何我们还没有用时空弯曲彻底取代牛顿的万有引力定律呢？其实这就是普适性的问题。时空弯曲只有在质量非常大的天体附近才比较明显，而我们都待在地球上，根本无法感受到时空的弯曲，但是能感受到引力一直存在。说白了，牛顿万有引力定律只是时空完全在低引力状态下的近似值和特例，而我们恰恰处于一个低引力世界，所以如今统治我们世界的仍旧是牛顿万有引力定律。到这里，狭义相对论和广义相对论就基本分析完了。可以看出，狭义相对论和广义相对论都是建立在两个相对性原理的基础上创建的，当然还有光速不变原理和等效原理。本质上都是对时空结构的修正。那么，这些原理是否正确？起码目前所有的实验表明都是正确的。其实所有这些原理本质上都是假设，也是公理，所以也无所谓对错，也无需去证明，只要符合实验观察即可。相对狭义相对论来讲，广义相对论会更难以理解，广义相对论体系下的公式，不仅仅需要微积分，矢量分析等知识，更需要超强的空间想象力，数学分析能力，物理综合知识才能推导出来。比如说爱因斯坦引力场方程，是一个二阶非线性偏微分方程组，要想求解非常困难，仅仅是这个方程组的名字就会吓走很多人。也难怪会有这种观点，如果没有爱因斯坦，五年之内也必然会有其他人提出狭义相对论。但如果没有爱因斯坦，五十年之内未必有人会提出广义相对论！
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