18岁少年制作的狭义相对论视频解释

#科普07:3474

众译鸣谢

原文字幕:Sherry于2018.03.30制作完成

译文字幕:Aimik于2018.04.15制作完成

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莱茵柴斯特解释狭义相对论
几乎所有人都听过爱因斯坦的狭义相对论
它的出现是划时代的
但它并不复杂也不难理解
事实上 我觉着这可以用自己的话表述出来
这个理论有两个基本假说
第一条说所有惯性参考系
都服从同一简单的物理定律
惯性参考系就是我们视作静止的东西
我说视作是因为相对宇宙中的其它东西时
它同样可以被视作是运动的
哇!听起来我们正在构建一套相对的理论
其实爱因斯坦所说的物理定律在所有惯性参考系中是一样的
也就是说物体并不会加速或减速
但为何速度一定是恒定的呢?
其实解释起来很简单
让我们坐在椅子上
拿上一碗爆米花
放在自己前面
然后坐好 看看物理定律是怎么作用的
嗯...... 什么都没发生
现在让我们在一辆窗户涂黑的车中再做一次
假如司机决定突然改变车速
踩下急刹车
突然之间地
物理定律似乎有点变化了
但如果这辆车以恒定速度前行
所发生的事情会和我在地上坐着时一样 也就是
什么都没发生
在地球和车两个参考系中 爆米花都没动
可是地球和车的运动速度是不同的
但就我所看到的而言
物理定律的作用方式是相同的
因此我们可推得在任意速度恒定的参考系中
所发生的事情应该是一样的
在不同的参考系当中物理定律都是同样有效的
至此我们就证明了第一条假说
第二个假说是 光在真空中以恒速前进
而发光介质并不重要
那么爱因斯坦是怎么意识到的呢?
十九世纪 人们刚意识到光以波的形式传播
而他们熟悉的另一种波是声波
像这样的声波
需要介质传播 也就是某种物质
基于此人们推测光波也需要介质
并称其为以太
那么我们该如何证明这种假想介质是否存在呢
麦克逊和莫利使用了干涉计
这个装置可测出由以太导致的光速差
前提是它真的存在的话
光在一组相互垂直的臂上被分成两份
经反射后交于中心点 最后在目镜上呈像
波的干涉会产生一个图案
如果光速在不同的臂上不同
它将无法同时到达目镜
这将导致生成不同的干涉图案
它会有这么大的一个偏移
如果以太真的存在 地球会在绕日轨道上穿过它
这在地球上看就好像是以太在移动
如果光需要以太才能传播
在图上可知 光与以太的运动反向时
会比垂直时速度更慢
因此干涉图案会偏移
但当实验做完后发现
干涉图案并未偏移
这就意味着没东西影响光速
因此光的传播不需要介质
在任何给定参考系中 光速不会变慢
因为光的介质有自己的运动
但因为它穿过的是一片真空
而真空不会运动 所以光速恒定
同理 在真空中穿行的电磁波波速也是恒定的
就是这样
这就是爱因斯坦最伟大的成就之一
而我们只花了几分钟就自己推出来了
这让它看起来很简单对吧
那么该理论为什么是革命性的呢?
因为狭义相对论预测了一种很诡异的现象
它就是时间膨胀现象
我们之前可能就听说过
如果一个人离开了地球的参考系
而进了一个相对地球速度极快的参考系中
等他回来时 地球上的人会觉得他走了三十年
而这个时空旅行者会认为只过了一年
用狭义相对论可以回答下面的问题
为什么相对地球以极快速度运动的人的时间
会比地球上其他人的时间过的更慢
这都基于如下等式 速度等于路程除以时间
当我们用它去描述光的时候 光速恒定
但凡是从像地球一样的恒速参考系测量的时候
这时式子中的距离一定是光走过的距离
但我们仍可以用它去描述宇宙中其它的物质
所有化学过程 包括让物质变化的
让人思考的 呼吸的 以及衰老的
都是在细胞级别 分子级别
原子级别 最终是量子级别上引发的
在量子级中一切都是由按光速运动的光子
引力子 以及其他基本粒子施力导致的
因此 对于所有地球上的生化反应在发生时
我们体内的光子要移动很一小段距离
而又因为光速是6.7亿英里每小时
走过这段距离所需的
时间非常非常少
光子就像一辆汽车以120英里每小时行驶
而终点不过是隔壁
这个过程所消耗的时间会非常短
但当你的身体相对于地球以极高速运动
渐渐接近光速时
你体内的光子需要走过的路程则会长的多
才能激发同样的生化反应
因为光子和基本粒子的速度是恒定的
但现在它们要走过的路程更长了
它们也就需要更多的时间
也就是你的车还是以120英里每小时前进
但从相比开到隔壁 纽约到加利福尼亚
会花费更长的时间
因为当你相对地球以极快的速度运动时
相同的生化反应需要更多的时间
也就是你的时间流速比地球上的人慢了
但你却并不会发现
因为你的感知和在这飞船上的所有东西
同样是基于以光速运动的粒子的运动的
他们和你的衰老过程一道减缓了
所以时间的相对性是一个自然的结论
它是通过将光速是常量这个事实代入速度等式得到的
这并不能从我们在地球上的经验中总结出来
毕竟现在并没有什么接近光速的旅行手段
但终有一天近光速旅行会变成现实 而当到了那天
我们会感谢爱因斯坦对于宇宙运行机理的深刻思考的
尽管未曾离开过地球 他却让我们
知道了离开地球后会发生什么
以下内容有剧透 , 请注意打开姿势

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