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一束静止的光被冻结在了时间里,现代物理学拉开了帷幕

常驻编辑 科普中国 2022-11-11 爱因斯坦   黎曼   狭义相对论   时间   引力   物理学   方程   帷幕   能量   原理   理论   空间

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如果相对论被证明是正确的,那么爱因斯坦将被认为是20世纪的哥白尼。——普朗克f29拜客生活常识网

爱因斯坦的生活似乎充满了一连串的失败和失望。甚至他的妈妈也因为他很费劲才学会说话而发愁。他的小学老师认为他是个愚蠢的梦想家。他们抱怨爱因斯坦常用他那些傻乎乎的问题来扰乱课堂纪律。有一个老师甚至直截了当告诉爱因斯坦还是不来上他的课为好。f29拜客生活常识网

在学校里他没有几个朋友。由于失去了对课程的兴趣,在高中时他退学了。由于没有高中文凭,他就必须经过特殊的考试才能进入大学,可是他第一次没有通过考试,不得不再考一次。由于他是扁平足,因此在瑞士的陆军考试中也同样没有通过。大学毕业之后,他没有找到工作。他申请的所有地方都没能给他提供工作。最后,通过他朋友的影响,他才得以在瑞士的专利局当一名低级办事员。f29拜客生活常识网

在既缺乏资金又缺乏与科研机构支持的情况下,爱因斯坦单枪匹马在专利局开始了研究工作。f29拜客生活常识网

天真的问题

爱因斯坦天才的本质表现在哪里呢?在《人的进化》中,布罗诺大斯基写道 f29拜客生活常识网

像牛顿和爱因斯坦这类人的天才在于,他们问出一些显而易见又很天真的问题,而这些问题最终会使科学产生巨大的变革。爱因斯坦是一个能问极其简单问题的人。f29拜客生活常识网

在孩提时代,爱因斯坦问自己这样一个简单问题 如果你能赶上一束光的话,它看起来会像什么样呢?你会看见一个静止的波冻结在时间中吗?这个问题促使他用50年的生命历程来探索空间和时间的奥秘。f29拜客生活常识网

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爱因斯坦16岁时,就已想到 f29拜客生活常识网

如果我以光速c追逐光束,那么我观察到的这束光应该是一个停滞不前的在空间振荡的电磁场。然而,无论是基于经验还是根据麦克斯韦方程,看来都不存在这样的事情。f29拜客生活常识网

在大学里,爱因斯坦证实了他的猜疑。他知道光可以用法拉第的电磁场来描述,这些场遵循由麦克斯韦发现的场方程。正如他猜测的那样,他发现麦克斯韦方程不允许静止的波存在。事实上,爱因斯坦证明,不管我们的速度如何,这束光总是以同样的速度c前进。f29拜客生活常识网

1905年,爱因斯坦在专利局有着充足的时间,他仔细分析了麦克斯市的场方程,得出了狭义相对性原理 光速在所有作匀速运动的参考系中都相同。这个听起来似乎天真的原理是人类最伟大成就之一。有人说,人类在地球上进化的200万年中,作为人的心智最伟大的科学创造之一的狭义相对论,与牛顿的万有引力定律并驾齐驱。f29拜客生活常识网

为了给我们一个直观的感受,假设光的速度是每小时100公里,我们试图驾车追赶光束,那么根据狭义相对论,可以得出两个结论,f29拜客生活常识网

  1. 首先,无论我们怎样加大汽车发动机的油门,它也只能接近每小时100公里的速度,但是永远不能超过每小时100 公里。
  2. 其次,无论我们的速度多么接近每小时100公里,我们仍然看到光束在我们的前面以每小时100公里的速度前行,好像我们一动也不动。

这是荒谬的。在急速行驶的汽车中的人和静止的人测量的光束速度怎么能一样呢?f29拜客生活常识网

对这个佯谬唯一的解决办法就是,对于汽车中的我们而言,时间变慢了。如果行人用望远镜盯着我们的汽车,他会看到车中的每一个人行动都极其迟缓。然而,车中的我们从没注意到时间正在慢下来,这是因为我们的脑筋也慢下来了。对于我们而言,一切似乎都正常。此外,他看到汽车在运动方向上变扁了。汽车像手风琴一样缩拢起来。然而,我们从未感觉到这个效应,这是因为我们的身体也在收缩。f29拜客生活常识网

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空间和时间戏谑了我们。在实际的实验中,科学家们已经证明,不管我们行进得多快,光的速度永远是c。这是因为我们行进得越快,我们的时钟就走得越慢,我们的尺子也缩得越短。

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