1905年,爱因斯坦提出了4篇具有开创性的论文,在这四篇论文中,最后两篇尤其颠覆三观,后来被合称为:狭义相对论。
颠覆三观的理论:狭义相对论
爱因斯坦在提出狭义相对论时,并没有像很多人想象中的那样一炮而红,实际上没有引起什么波澜。因为这个理论实在是太过颠覆,以至于当时的很多物理学家都表示看不懂。甚至连量子力学的奠基人普朗克看到爱因斯坦的论文时,他首先是觉得爱因斯坦是一个人才,但是他也并没有能够接受这样颠覆三观的理论。
所以,直到广义相对论被验证之后,爱因斯坦才在全世界乃至整个学术圈名声大噪。那么问题来了,狭义相对论为什么这么颠覆呢?
我们就列举一点,狭义相对论告诉我们高速运动的物体相对于低速运动的物体,时间会发生膨胀,也就是说,时间流逝的速率会变慢,我们一般将这种情况称之为:钟慢效应或者时间膨胀效应。
这其实和我们日常生活中的直接是不同的,比如,一个人跑起来后,就比没有跑步的人时间流逝更慢吗?如果是,我们应该可以感受到,可事实上,我们并没有感受到,因此狭义相对论是很反直觉的。所以,一开始并没有什么人愿意承认爱因斯坦的狭义相对论是正确的。
相对论的铁证:2组铯原子钟
后来我们也知道,狭义相对论乃至广义相对论都已经成为了现代物理学的支柱,也被验证是正确的。那么问题到底出在了哪里?狭义相对论又是如何被证明是对的呢?
人类日常生活所接触的是宏观低速的世界,在这个世界当中,牛顿力学是和感官、直觉很匹配的,因此我们才会觉得牛顿力学是无比的正确。而狭义相对论描述的是高速状态的情况,这个高速指的是达到了接近于光速的速度,光速可是3*10^8m/s,这个速度一秒钟可以绕地球赤道7.5圈,是完全脱离我们直觉的速度。我们实际上是无法判定在这样高速的情况下到底会发生什么,这个时候相对论就可以被用上。
一个人跑得即便是再快,他相对于静止的人而言,速度也不过超过50m/s,这个速度远远低于光速,依然是在宏观低速下,这时确实存在着“时间流逝慢”,这不过这个“慢”是相当的慢,在小数点后10多位才能体现出来,因此我们拿表是根本测不出来这差异来的。
因此,如果要证明相对论是正确的,那么只能用精确度非常高的钟表。二战之后,人类第一个铯原子钟被制造出来。铯原子钟的原理是依靠着铯原子的振动,基态的铯-133原子在超精细能级之间的跃迀一次的周期是1/9192631770秒。
到了1954年,科学家扎卡来亚斯让原子钟变成可以商用的原子钟。到了1967年,由于铯原子钟足够精确,所以科学家甚至用铯原子钟来定义时间“秒”,也就是9,192,631,770个铯原子振动的周期就对应1秒钟。
铯原子钟拥有极其高的精度,几百万年,几千万年,甚至是上亿年的误差都不会超过“一秒”,是人类发明的最精准的钟表。有了铯原子钟,科学家就寻思用它来验证狭义相对论是否正确。
1970年,科学家把4组铯原子钟调试好比并且进行校准,其中一组铯原子钟留在地球上,另外一组安放在一架飞机上,然后让飞机绕着地球航行,这样持续一周,最后对两组铯原子钟的速度情况统计,由于引力场也会影响到时间的流逝。于是,科学家也把引力场的影响也进行了计算,并且在结果中刨去了引力场的影响。
结果,通过狭义相对论的理论计算得到的是飞机上的钟应该变慢184纳米(正负23纳米),纳米是10^(-9)秒,而实际上测到的结果是慢了203纳秒(正负10纳米),可以说理论和实验的结果是在正常误差的范围以内的,这也证明了狭义相对论的理论是正确的,也就是说在高速飞行的飞机上,时间流逝得就是要比地面上慢,只是飞一周才慢200纳米左右。因此,高速运动的物体确实相对于低速运动的物体,时间流逝更慢一些,所以多坐飞机不会返老还童,只是时间会流逝得更慢而已。