狭义相对论是1905年发表的,到现在已经过去了将近115年,但到现在仍然有很多朋友对狭义相对论中推导出来的各种有趣现象仍然将信将疑,比如标题中的“钟慢效应”,还有尺缩效应等等,不过种花家要说的是,在爱因斯坦之前的洛伦兹就完成狭义相对论的很大一部分工作!
洛伦兹的“狭义相对论”
这事最早得从麦克斯韦统一电磁学说起,他1860年推出了一组公式,其中第四个方程可以直接推导出电磁波的速度速度是一个常量,与光速相差无几,他认为光就是电磁波的一种!而不久之后则证明了这一点!在牛顿力学体系中,抛开参照物谈速度都是流氓,那么问题来了,这光的速度是相对谁的呢?
以太说是牛顿引用亚里士多德的以太论给经典力学的绝对参考系站台的,但以太这个看不见摸不着的东西数百年以外都让科学家摸不着头脑,但迈克尔逊和莫雷在1887设计了一个巧妙的实验打算测出以太。这就是著名的迈克尔逊-莫雷实验,当然结果大家都知道了,零结果!
不过当时仍然对以太不死心,而是有很多科学家都出来洗地,其中就有洛伦兹和乔治·菲茨杰拉德,而洛伦兹在1895年给出的公式更精确,完美的解释了迈克尔逊-莫雷实验中的零结果,这就是著名的洛仑兹变换,但洛仑兹始终没有抛弃以太!
爱因斯坦的“狭义相对论”
善于打破规则的爱因斯坦并没有死守着以太不放,而是认为光速不变跟绝对参考系以太没有关系,再加上狭义相对性原理,提出狭义相对论!曾经在相对论门口的洛伦兹甚至都叩响了大门,但始终未能摆脱牛顿的影响。
狭义相对论的前提很简单,只有光速不变和下一相对性原理,但推导出来的结果很深刻,尤其是钟慢效应,尽管狭义相对论并不支持穿越过去,但它可以变相的穿越到未来,不过只是单向的!,这也是狭义相对论比广义更吸引吃瓜群众的地方。
从狭义相对论诞生以后,尽管推导都没有问题,但验证确实是一个难题,比如验证其中一个结果,钟慢效应,其实这是从洛仑兹变换中推导出来的,不过这爱因斯坦并不想抢洛伦兹的功劳,因为那个公式还是叫洛伦兹变换,而且爱因斯坦也认为:即使他不推出狭义相对论,那么最晚只要再过5年,也会有人推出!而这个人我们认为很可能就是洛伦兹!
μ子的运行路径用黄色线标示
怎么来验证呢?科学家想到了μ子,因为它的半衰期只有2.2微秒,也就是说每隔2.2微秒就会有一半μ子死掉了!1941年物理学家们在华盛顿山上做了个实验,从山顶朝山下发射μ子,速度是0.994c,有兴趣的朋友可以用钟慢效应计算下时间交换比(大约是9.14倍),结果收集到的μ子数量远超预期,这表明高速运动中的μ子寿命大大增加!
那么人呢?
光速飞船中的人会怎么样?
这是一个非常有趣的问题,我们可以分解成三个小问题来一一解决。
光速飞船中的人感觉时间变慢了吗?
远离时光速飞船中的人看地球上的人会怎么样?
接近时光速飞船中的人看地球上的人会怎么样?
这三个问题应该代表了各种问题中的典型,我们今天就来做个小小的总结,我们首先来解决光速飞船中的人感觉自己的时间会怎么样?
很多朋友认为光速飞船中的人时间会变慢,其实不然,这自身参考下下,时间是一样的,比如你的手表走过了24小时,你就要吃三顿饭+睡一觉,少吃一餐就会觉得饿得慌,所以当你的钟表过了100年的时候估计应该挂在墙上了!
所以光速下你自身是没有感觉的,该咋过还是咋过,一分钟都不会多出来!
第二个问题,飞船远离时从零开始逐渐加速到光速,从地球上来看飞船上的人动作会越来越慢,最终在到达光速时出现了停滞,也就是说到达光速那一刻,他的动作就凝固了,你再也不会看到他下一个动作!
那么飞船上的人看地球人呢?很多朋友会认为动作会加快,因为地球上的人看飞船上的人慢慢了嘛,其实这是错误的,由于光传递的关系,飞船上的人看地球人也是越来越慢,最终当飞船到达光速时,地球人的动作也凝固了!
第三个问题,其实大家就应该能推测出来了,当飞船开始返回时,双方的动作都会越来越快,然后,飞船上的乘客会感觉瞬间到达了地球,而地球上的观测者则会看到一个无法分解的快动作。
但其实这些情况都不会发生,因为飞船到不了光速,而且高速远离的红移和高速接近的蓝移根本让我们无法观测,但这个有趣的话题探讨下,绝对加深了狭义相对论的钟慢效应!无论光速飞船无论飞出去多久,他们的手表永远都只经过加速和减速的这些时间,而光速途中所需的时间是0,当光速飞船回到地球,他们仍然年轻,而地球人却不知道过了多少代了!