相对论的起源（下）14

Masir 科学羊 2024-03-30

本系列文章预计会有20+个章节，这套文献将系统讲述科学与技术本身，这里是第七季第14篇

--本文预计阅读4min--

接上篇，

01 相对论的起源

前物理学家万维钢老师曾说过这么句话：

物理学这个学科的一个特点就是有太多的英雄人物。如果你不理解他们都干了什么，对物理学家保持不明觉厉、敬而远之的态度，你完全可以踏踏实实地过好这一生。可是如果你一旦真正理解了这些英雄做的事儿，你可能就再也不愿意老老实实地享受岁月静好了。你可能会“一见杨过误终生”。

你看，本来牛顿力学已经稳固了将近200年，被电磁学突然来了这么一下，你说物理学家谁能坐的住。

那么物理学家究竟想要什么？

答：他们终其一生都想走牛顿的路，也就是找到一个大统一，大理论来包罗万象！

好，这时候爱因斯坦出场了。

爱因斯坦一开始想解决这么一个问题，这也是相对论起源的导火索——即，消除经典力学和电磁理论之间明显的不一致。

一切的矛盾，一切的危机都来源于一件事：麦克斯韦电动力学解出来的光速，到底是相对于谁的。实验证明光速与光源的速度无关，而以太不存在，地球上哪个方向的光速都一样。

爱因斯坦提出相对论的论文题目叫做《论运动物体的电动力学》，直接说的就是光速危机。

爱因斯坦的解决方案是一个拨云见日的断言 ——一切匀速直线运动或者静止的坐标系下，物理定律都是一样的，句号。

这就是狭义相对论的起源！

不管你是哪个匀速直线运动的坐标系，电动力学都一样，所以解出来的光速自然也都一样，光速c = 299,792,458 米/秒. 光速是相对于谁的？

答案是不管相对于谁，它都是同一个数。物理学家用英文小写字母 c 来代表光速，它不是一个变量，它是一个常量。

这也就意味着，不管你是站在地面静止不动，还是在飞奔的高铁上，还是在以接近光速飞行的宇宙飞船上，当你看到一束光的时候，这束光的速度永远都是 c。

02 思想实验

假设你在一艘豪华游轮上旅行，这艘游轮在海上开的速度很快，但是它非常平稳，没有任何颠簸。游轮上有个全封闭的大厅，里面有游泳池有球场，你甚至还可以在里面做物理实验。

那请问，在不和外界发生任何联系的情况下，你能判断出这艘游轮是在前进还是静止不动吗？

你可以做各种实验。

比如说把球抛到空中，在静止的情况下，球会落回你的手中。可是封闭游轮里也是这样，球也会落回你的手里。你向游轮前进的方向射门，同在游轮上的守门员只会感到你射门的寻常速度，而不需要考虑游轮的速度。

只要游轮的速度平稳不发生变化，你就无法判断它是在运动还是静止！其实我们生活的地球就相当于是这样一个游轮。地球绕太阳公转的速度是每秒29.8公里，比飞机快的多，但因为地球走得几乎是一条直线，你完全感觉不到它正在高速前进。

这个道理，最早是物理学的祖师爷伽利略想明白的。

你在速度是每小时50公里的游轮上建立一个坐标系研究物理学，我在地面建立一个坐标系，咱俩其实是对等的。

你相对于游轮是静止的，相对于我是运动的。你向前射出一支箭，箭相对于你的速度是每小时360公里，那相对于我就是每小时 360 + 50 = 410 公里。

不跳出自己的坐标系往外看，你单凭做一个射箭、抛小球之类的实验无法区分运动和静止。匀速直线运动和静止没有本质区别，速度都是相对的。

这个其实就是相对论，这就叫“伽利略的相对论”。

但是，假设站在游轮上的你不是向游轮前方射出一支箭，而是用手电筒打出一束光，你猜这束光的速度应该怎样。相对于你来说，光速是每秒30万公里。

那既然你跟站在地面上的我的相对速度是每小时360公里 —— 也就是每秒0.1公里，根据刚才伽利略的算法，我眼中这束光的速度就应该是每秒30万.1公里，对吧？

物理学家发现，不是这样的。不管你跟我的相对速度有多快，我测量和你测量这束光的速度*都是每秒30万公里！

这，就是爱因斯坦狭义相对论想表达的一个颠覆性观点。

关于相对论具体的细节这里就不赘述了，我们物理学第1~2季专门讲了这块的知识。

下一讲我们再聊聊爱因斯坦的侧面，不是说天才就是万能的。

好，今天就先这样~

Masir 2022/11/16

于东莞

祝幸福~

参考文献:

万维钢精英日课*3

图片来源于网络

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