在这次疫情中有哪些创业机会(疫情带来的创业)学到了
简单说吧,钟没有慢,尺不会缩,一切都只是你的观察。
狭义相对论说的是:一切惯性系都是等价的;但不同惯性系之间,信息只能以光速交换。
因为这个“光速是信息传递速度的上限”,一旦运动速度可以与光速相比拟,很多事情就起了变化——包括很多我们过去习以为常、所以从未想过的概念。
第一个概念就是时间。
事实上,至今我们都不知道时间究竟是什么。现在只不过是比过去稍微多知道了一点点它的古怪之处而已。
在过去,时间是高高在上的。整个宇宙都只有一个时间,它公正无私地施加于每个客观实体。
但现在我们知道,时间是局部的——我的时间和你的时间是相互独立的,彼此没有关系。
更准确点说:同一个惯性系共用一个时钟;其它惯性系的时间对我们没有意义——相应的,我们的时间对其他观察者也没有作用。
举例来说,我们在地球上,标记为A;我们观察到了一艘外星飞船B,这艘飞船以近光速行进……
那么,当我们观察这艘飞船时,会发现它上面的外星人动作慢腾腾的,好像他们的时间过得比我们慢一样——反过来,外星人观察我们时,也会发现我们动作慢腾腾的,时间过的比他们慢。
而第三个观察者C呢,他可能发现,我们和外星人以速率相同但方向相反的速度离他而去;在C的眼里,我们和外星人B一样慢腾腾的(但没有我们看外星人B那么慢),但我们A和外星人B的时间流逝速度是一样的。
请注意,事实上,对三者自己来说,他们的时间都没有变慢,一直都是正常速度。
这种观察甚至可能会看到另外的奇妙景象。
比如,我们会发现,外星飞船B正中的一颗警示灯突然亮了起来;灯光先传到了船尾、后传到船头;然后船头船尾的人看到灯信号后,马上站起来以同样的速率往中间跑——他们先后起跑,但因为近光速时加速更难,因此船尾的人虽然跑的早,却并没有比船头的人早到:事实上,他们同时跑到了中点。
而外星飞船B上面的人呢,他们认为事情是:飞船正中的一颗警示灯亮起,光信号相对于飞船光速传播、同时到达船尾;然后船头船尾的人同时起跑、以同样的速率同时到达飞船中点!
换句话说,我们和飞船上的人,关于同时性的认识也是错乱的。
但是,虽然时间流逝速率不同、同时性荡然无存,不同参照系的时间却又是协调的,遵循着某种约束——这使得,当我们加速或者他们减速、双方汇合成同一个惯性参照系之后,我们双方的观察又能取得某种共识!
典型案例就是双生子佯谬:双胞胎A和B,A留在地球,B登上飞船近光速旅行;双方各自观察对方,都会发现对方的时钟变慢;那么当B返回地球后,他们都会觉得自己要比对方年老:这岂不是矛盾了吗?
实际上是不会矛盾的。
有一对双胞胎甲和乙,甲留在地球上(看作惯性系),乙以接近光速的速度做星际旅行并返回。图1和图2是将甲(绿色)和乙(红色)的世界线画在甲所在的惯性参考系中的样子,其中横轴代表空间,纵轴代表时间。从乙离开到返回,甲的时间过去了3年,乙的时间只过去了2年。
图1
站在甲的角度来看(图1),在他经历的这3年中,第1年乙以大约80%光速的速率匀速远离地球,第2年乙在恒定外力的作用下减速再加速调头,第3年乙以大约80%光速的速率匀速返回地球,乙有加速度的时间占总时间的33.3%。在乙的加速度为0的时段中,乙的钟表的运行速率约是甲钟表运行速率的60%(图中较小的红色数字)。
站在乙的角度来看(图2),在他经历的这2年中,有加速度的时间大约占总时间的40%。在乙的加速度为0的时段中,甲的钟表的运行速率约是乙钟表运行速率的60%(图中较小的绿色数字)。
两幅图中,向上移动的绿色和红色线段(以及随它们的移动而留下的浅绿色和浅红色线段组)分别代表甲和乙的“同时线”。因为甲和乙所在的参考系不同,他们对“同时”的理解也不尽相同。例如,“甲的钟表显示0.5年”和“乙的钟表显示0.3年”这两个事件在甲看来是几乎同时的,但在乙看来却非常不同时。
问题的原因在于,我们习惯了同在地球上的统一时钟;但宇宙空间里,不同参照系之间是无法谈论同时性的。因此,双胞胎兄弟A和B各自经历的“世界线”其实是不同的——当B的飞船以不同速率运行时,双方观察到的对方时钟的运行速度变化也是不同的。
换句话说,虽然B保持匀速直线运动时,他和A的确是彼此观察到了对方的时钟变慢,这里的确产生了矛盾;但当B调整自己的速度从而回到A所在参照系时,他经过的时空途径(世界线)和A是完全不同的。
这个不同就使得,A和B会达成一致意见,认为A比B老了同样的一段时间——注意,虽然最终结论相同,但关于A究竟是在什么时间变老的、变老速率如何,双方的看法是不一样的。
这个情况总是被粗疏地总结为“运动的表变慢”或者“钟慢效应”;但这并不是字面上的意思。
事实上,A和B参照系的时钟都很正常,时间都严格的按照正常速率均匀流逝着——就好像我们每天那乏味的日常一样,没有任何特别之处。
只不过,他们彼此观察时,会发现对方的时钟出了问题;而且,当双方再次汇合进同一个参照系后,会发现各自经历过的时间果然不同——其中一方好像“穿越”到了未来、而另一方却“留”在过去!
换句话说,时间是“个性化”的,你的时间和我的时间未必是同一个时间。这在平时看不大出来,但当你近光速旅行后,我们的时间就会出现明显的、不可忽略的差异!
甚至于,借助虫洞或其它特殊的时空构造,就连“回到过去”的旅行也都不违反物理规律!
看到这里,是不是对“不同参照系有各自不同的本地时间”有了更深的认识?
第二个概念是空间。
在过去,空间也是人类无法探测甚至无法想象的存在——空间?不就是什么都没有嘛……既然什么都没有,那还有什么可探索可研究的?
但是,当我们看到另一个物体相对于我们的运动速率可堪与光速比拟时,情况就起了变化。
我们会发现,在运动方向上,它的长度缩短了。原本是个球,现在成了铁饼。速度越快,它看起来就越扁。
这就是“尺缩效应”。
同样的,“尺缩”只是系统外的观察者“看起来”缩短了;系统内是不存在尺缩的。
因此,随着观察者的不同,关于同一件事总是有多个不同解释。
比如,一列火车以近光速穿过一个山洞;假设这列火车静止时和山洞一样长;那么,相对于山洞静止的观察者会发现火车缩短了、而相对于火车静止的观察者会发现山洞缩短了——那么,这里就出现了一个有趣的问题:如果山洞两端装了个闸机,火车进去后,两个闸机同时关闭一个瞬间、然后马上打开,此时会出现什么?
你看,相对于山洞静止的观察者应该看到火车被完美地关进山洞,对吧?
但相对于火车静止的观察者呢?既然山洞看起来缩短了,闸机不是会撞在火车上吗?
答案是:不同系统里面是无法讨论“同时”的。
相对于火车静止的观察者看到的并不是闸门“同时”关闭,而是前面先关闭,又放开,等火车出来后,后面的闸门才贴着火车尾巴关闭!
换句话说,不同观察者看到的事实都不一样了。
但虽然不一样,却还遵循着某个约束:火车要么和闸机相撞,要么安全通过,这个事实在所有参照系是一样的。不一样的只是事件发生的先后顺序。
当然,狭义相对论虽然隐隐涉及了空间,却没能探索太深。 关于空间的研究,需要到广义相对论才会进一步深入。
不过,哪怕作为广义相对论的提出者,爱因斯坦本人其实也不是完全理解了自己的理论。
比如说,我们已经知道了,“空间压缩”(尺缩)只是不同参照系的观察者“看”到的……不能说是错觉,但做个坐标变换就没有了……
那么,当两颗中子星/黑洞合并时,产生的引力波也会引起空间压缩现象——这是实实在在的压缩呢,还是像爱因斯坦一开始所认为的“仅仅是个坐标变换的小把戏”呢?
当然,现在我们已经实实在在地探测到了引力波——两颗中子星合并辐射出的巨大能量,对我们的影响仅仅是“在间距上百公里的距离上造成原子核半径几分之一的扰动”,可见这空间可“硬”的很啊——这个问题可以说已经有了答案。
你看,从这个观察来看,“时空扭曲”似乎又是实实在在的事实,并不能说“只是个坐标变换的小把戏”。 总之,如今我们已经知道,时间和空间是纠缠不清的,以至于最好把它们统合起来,叫做“时空”。 但这个认识仍然是极其粗浅的,我们不知道的还有很多很多。
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