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摘要: 本文由公众号 “把科学带回家” 提供给孩子最好的科学教育音频在哪里?音频在这里。今天是王木头讲科学的第23期

为什么相对论那么难以置信 | 王木头讲科学

本文由公众号 “把科学带回家” 提供
给孩子最好的科学教育



音频在哪里?音频在这里。


今天是王木头讲科学的第23期节目。



来自北京大学的木头哥哥是把科学带回家的明星主持人,他最擅长给孩子讲有趣的科学。





 ▼  用听的 ▼ 




 ▼  用看的 ▼ 



你知道吗?狭义相对论刚提出来的时候很难让人相信,很大程度是因为我们平时计算速度的方法和习惯。

像是时间啊、温度啊、速度啊、距离啊、大小长短啊,这些都是物理量。我们去获取物理量大小的方式有两种,一种是用一种工具直接去测量,比如时间用时钟、温度用温度计、长短用尺子。而还有另一种物理量,并不能直接测量得到,必须经过计算才能知道。速度就是最典型的,我们没办法直接知道一个东西的速度,必须是知道它移动的距离和花费的时间,然后用除法计算一下才能知道。

举个最简单的例子,比如赛跑比赛。短跑,跑一百米,起跑线开始准备,发令枪一响,马上开始跑,同时呢也会开始计时。等跑到了终点,停止计时。最后这个人跑的速度,就是用距离除以用掉的时间,会得到1秒钟奔跑的距离。



你想想看,是不是真的是这样子呢?真的就没有办法能像时钟或是尺子,不需要计算就可以直接知道一个东西的速度呢?或许你仔细在自己的脑子里面搜索一下,还真让你找到了一个反例,那就是汽车的时速表。在汽车,方向盘的前面都有的一个表盘,上面会显示当前汽车的速度。它好像就不需要计算,而是像时钟一样,只需要读取上面的数字就知道速度了。

其实,这并不是不用计算了,而是汽车在非常短的时间内就自动完成了计算。简单来说,它需要记录下在一个很短的时间里面汽车齿轮转动的次数,转动一次汽车移动的距离也很容易知道。这样就很方便地计算出这段时间汽车移动的距离,就是转动的次数,乘以一次移动的距离,然后在除以这一小段时间,汽车的速度就知道了。最后把这个数值显示在仪表盘上。



你看,我们要想知道一个速度,一定是要知道一个距离和一个时间才可以。这也是为什么,速度的单位都是米/秒,或公里/小时,这样一个距离单位和一个时间单位的组合。正是因为速度总是需要计算才能知道。

时间和距离,它们都是实际测量得到的,比起计算结果,距离和时间这些实际量出来的数值感觉才是真实可信的。也就是说,人们总会觉得是时间和距离,决定了速度,而不是反过来速度会去决定时间和距离。而相对论呢?恰恰相反,先确定了光速不变,然后反推回来,去计算出时间和距离。

这种感觉就像是这样的。我们都知道,天气温度的高低和冰激凌的销量会是高度相关。温度越高,冰激凌卖出去的也就越多,是温度决定了冰激凌销量。这就相当于人们平时相信的,时间和移动距离决定了速度,时间越短,移动距离越长,则速度越快。

而相对论却反过来了,速度会决定时间和距离。这对于很多人来说,这太难以接受了,困难程度不亚于让人们去相信,冰激凌的销量会反过来决定了天气气温。就像是只要把冰激凌销量提高,就可以提高气温温度一样不可思议。



说了这么多,是不是还是不好理解。我们来做一道应用题,让大家看看到底是哪里感觉到怪了。

大家应该在学校里面做过不少的应用题了吧。这次呢,我们的题目本身不算特别难。只不过我们要花时间来解释一下题目。这可是当时爱因斯坦用来解释狭义相对论的一个题目。

在地面上放在一个平躺着的镜子,如果用一道光直直地照到了镜子上,这个光是会反射回来的,然后马上用另外一个镜子,镜面朝下扣过来。这样是不是就会有一道光被困在了两面镜子中间了呢?就像是弹力球一样弹来弹去。

这里我也提醒你一下啊,听完上面这么一说,你觉得把光困住好像很有趣,于是就找来镜子要试试。那你会发现,你没有办法把光困住。这是因为,镜子毕竟不那么干净,中间的空气也有灰尘,还有光本身也会发散,所以没有几个来回,光就消失了。光速那么快,这几个来回我们根本感觉不出来。所以啊,大家可以尽情去尝试一下,不过可能没有结果。但是,我们可以假设光不会消散,可以发挥想象力来想象一下这会是一个什么样的景象呢。

好,你想象出来了吗?应该是没有问题的啊。那我们接下来继续想象,刚才的镜子和在旁边观察的你都是在地面上站着的,现在把你和镜子们一起放进了一辆火车上。火车开动以后,你站在火车上看光线在镜子间弹来弹去,应该和在地面上看到的情况一样,对吧。因为你和镜子还有光线会一起随着火车移动,都移动,所以也就感觉不出来了。

好,我们继续往下想。你还是站在火车上看着光线弹来弹去,不过这个时候会在火车外面,轨道边上站着一个人,这个人可没有随着火车移动,那你能想象得到,他看到的光线弹来弹去会是什么样子的吗?我下面有个图,是不是就会和图上的红线一样,走出了一个折线呢?而图上的绿线是你在火车上看到光走过的路线。



好了,现在到了这一步,这一切还都非常的正常,没有任何问题。而且根据我们的正常的理解,在火车上的你,和站在地上的那个人,都是看的同一个光线,做着同一个动作,就是在两个镜子之间弹来弹去,所以这个时间应该是一样的。可是你仔细想想看有没有什么忽略掉了。

我们知道,狭义相对论认为光的速度是不变的对吧。那我们现在就要做个应用题了,光不论是按照你的观察路线,走绿色路径,还是按照另一个人的观察路线,走红色的路径,都应该是光速。那么,绿色路径走上一个来回用多少时间,红色路径上走一个来回又是多少时间?

这个应用题怎么做?我们已知了速度——光速,还有距离也知道了,虽然不知道准确绿线的长度和红线的长度,但是我们肯定知道红线要比绿线一个来回要长。根据我们的速度公式计算一下,是不是路线越长,用掉的时间越多呢,也就是说,光线走过绿线的时间要比红线的时间短。

到这里,大家发现什么问题了没有?按照我们正常的想法,不论是火车上的你,还是火车外的那人,看到的都是同一个光线,同一个行为。可是结果呢?因为光速不变,计算出来了矛盾。同样的光线,同样的行为,你看到光线走过的时间短,而站在火车外面的人看到的时间却长了。

即使爱因斯坦的这个例子,只需要有拿出解应用题的方法就可以搞定,可是还是有很多人表示难以相信。这种感觉,是不是就像是有人告诉你,不论什么情况,只要想办法把冰激凌的销量提高,那一定就能让天气的气温提高一样不可思议,时间竟然被速度决定了。

当然这还只是感觉,但是爱因斯坦提出的这个例子,好像又没有问题,一切都符合数学原理,可是呢又总觉得那里不对。这到底什么是情况啊。也许你想来想去就会想到,这个例子里面毕竟只是弹来弹去的光,只是它的时间发生了变化,那它就能代表世界上所有的表都变慢了吗?如果是的话,那我们就必须要保证不论用什么方法去测量时间,最后的结果都是时间变慢了,才可以说狭义相对论是正确的。那到底能不能呢?

我觉得大家可以自己试试看,看看能不能想明白。我可以给大家一个提示,大家需要想想看,凡是可以记录时间的东西,不论是表,还是其他什么东西,是不是都和运动有关?只要和运动有关,那么也可以套用爱因斯坦的例子来解决。那,手表是不是靠运动来计时的呢?沙漏呢?你还知道有什么计时的东西吗?他们是不是也是用运动来解决计时的问题呢?大家好好动动脑筋吧。


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