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跨越了四百年的疑惑和争执(4)

(2018-03-27 06:50:24) 下一个

(对外在世界的认知 之十二)

夫贤者,其德足以敦化正俗,其才足以顿纲正纪,其明足以烛微虑远,其强足以结仁固义。司马光的这番话,说明中国古代对于值得称颂的人要求还是很高的。其实,最终能成为所谓贤人的,也不一定都是要面面俱到,但肯定还是自有其天分的。

 

对于光的前行速度,第一次下意识地注意到这个事情的,是在文艺复兴年代的荷兰,是一位通晓数学物理的蜡烛商人。他觉得光从在太阳那出现的那一刻到映射到他的手掌上,是花了时间的。这不知道应该是算脑子灵敏还是眼神灵敏了,反正至少是一种普通人难以具备的以烛微而虑远的能力。后来有人设计装置试图测量出光的速度,伽利略就干过这样的事情。在没有电子设备的年代,与我们现在测到的光速精准数值,297,200公里/秒,最为接近的,是两个法国人在十九世纪中,用镜子反射32公里距离光源的测得的速度,他们得到的数据是每秒296,000公里/秒,误差不到1%。

 

1887年,有两个美国人(Michelson and Morley),在克利夫兰做了一个实验,想要证实光的速度,但是结果十分奇怪。按常规,如果光源朝着测量的方向有个初始的速度,比如说是以V的速度在移动,那么光被测得的合成速度就应该是有这个变量V的增加;反之,光源向测量者相反的方向移动,最终合成的光速就因该有相应的减少。这是我们在前边谈到过的那个伽利略,早已向大家解释明白了的道理。但那两个美国人的测量结果不是这样,他们观测不到在有初速的情况下,最后的合成光速有符合定律的变化。这就像是说,如果有一辆汽车,以每小时一百万英里的速度在行驶的时候,司机打开了车灯,那么对于前面的观测者来说,灯光的速度还是每秒钟29.7万公里,汽车飞快的速度并没能给光线带来增量。怎么会是这样呢?

 

荷兰物理学家劳伦茨(Lorentz)注意到了这个问题,他在1904年发表了一个数学公式,展示了速度带来的“压缩”效应,他试图用这个理论解释美国人所做的那个实验的结果。压缩的假设是说,物体在接近光速时,会有一种特殊的收缩现象。速度会令物体收缩,时间就像是一个顽皮的孩子,他要和你捉迷藏。你走的越快,时间对你来说就会变得越慢,这时你的表走的就越慢。比如我开了一辆超长卡迪拉克,我把油门踩到底,车子以一百英里/小时大速度从站在路边的你身旁飞驰而过。你瞪着眼睛目不转睛地注视着我冲过时,车身是缩小了的,是被速度压缩了的,但你意识不到。这是因为这样的情况下,压缩是极其微小的。如果,我的车能提速到每秒3千公里,是光速的1%的时候,按这个公式推算,一部十七尺长的车就能缩小近一寸了,但在飞驰而过的一瞬间,你还是难以明辨察觉。如果这车的速度能达到光速的99%时,这辆超长卡迪拉克就被压缩到只剩下两尺半到长度了,但宽度没变。得到这样的推理结果,劳伦茨感到很是惶恐,这怎么可能在宇宙中发生呢。

 

同样是在1905年,在解释完光电效应和原子理论之后,针对劳伦茨的数学推导,爱因斯坦又发表了一篇题目叫《有关运动物体的动力学》的文章,质疑了经典物理学的基本定律。爱因斯坦说,宇宙就是这样,不管你飞得多快,任何事情相对你来说还是原样。当你越接近光速时,时间就越扩展,空间就越延伸。就像胶皮一样地拉长,让你不可能比光还快。假如,在沙滩上,我捡到了一只装着妖怪的瓶子,我把瓶子盖打开,腾在空中的妖怪样子虽然吓人,但他还是要信守承诺。我告诉他我的愿望是以每小时五百万公里的速度飞奔。要满足我的要求,妖怪可以在我的鞋后装上光子火箭。或者,他也可以用相反的做法,他把五百万公里压缩成五公里,让我能在一小时内以现有速度从容走过。当然,如果我想跑得比光速还快,瓶子里的妖精也可以骗我。我越接近光速,他就越可以不断地把空间拉大,让我要达到光速所经过的距离不断地扩展,一小时过去了,好像走完了五百万公里,其实哪儿都没去。关键要看参照的东西是什么。

 

所以,当我坐在一个以光速行驶在轨道上的车里,经过外边站着的你时,我从窗户向外招手,对你来说我是被压扁的,对我来说你也是被压扁的。我把手表放在窗口让你看,你看到表针走得很慢很荒谬,这是怎么回事呢?这是因为宇宙在发挥它的本分,它不让我们走得比光快。爱因斯坦,把这个叫做“长度和时间的相对论”,即后来他说的狭义相对论。这也解释了,Michelson-Morley的实验装置量得的光速没有变化的原因。因为,光速在宇宙中是一个恒定的常量。

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阅读 ()评论 (11)
评论
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 'Zucker' 的评论 : 谢谢光临,欢迎常来交流。
Zucker 回复 悄悄话 有意思,作者的写作水平技巧都很不错,深奥的问题写的浅显易懂。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '豆腐干' 的评论 : 谢谢豆腐干,你有复活节快乐!
豆腐干 回复 悄悄话 回复 '越吃越蒙山人' 的评论 : 那是。所以弄到后来都是思想实验和数学计算。等看下一篇,Happy Easter!
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '豆腐干' 的评论 : ,有一点我前边说的不够贴切,就是其实速度多大对人不重要,主要是加速度太大,我们人类的生理结构受不了,杨利伟是受不了短时间里为了克服地心引力,神五从零到10km/s的加速度,跟别谈瞬间从零到30万公里/s 的加速度了
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 'Luumia' 的评论 : 谢谢到访。
Luumia 回复 悄悄话 文章和讨论一样精彩!
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '豆腐干' 的评论 :呵呵, 彼此彼此,我也是外行。你的最后一句话,基本上就是Bohr他们那样的量子物理学家想要告诉世界的秘密。后来的双缝实验做出来的结果也是和狭义相对论光速极限的矛盾。我下面会讲这个问题。
人以光速看东西,肯定是不可能的。杨利伟坐飞船反抗地心引力,最高也就承受10-11km/s的速度,这就使得他有五脏六腑都要被震碎了的感觉。爱因斯坦说光的速度总是300000km/S左右,是说不管参照物是什么,即便是两个光子火箭对开相遇,他们看彼此也都是这个速度,而不是光速的两倍,到了这个数,就叠加不上去了。当然这些都是理论。而且,现在也有所谓超光速的研究。但在相对论体系中,光速是恒量还是正确的。
豆腐干 回复 悄悄话 外行来凑热闹。
1. 人要是以光速运动,那他是看不见东西的,对吧?同向,光子进不了眼睛,逆向,视网膜是否可以接受二倍光速的冲击?所以爱因斯坦那个光速火车上的人看外面是一派纯然的黑,车站上的那人的眼睛根本捕捉不到以光速通过的火车,,他看见的是个空空的站台,二个世界交汇不到一起。
2. 光速恒定,它的物理意义是什么?速度都是参照而来的,比如开车,我对于马路是60,对于方向盘是0,对于对方来车是120,对于傍边的自行车是50,假如测量结果,这些数据全部恒定,这是什么意思?是否指这些参照点都在一个点上?似乎只有这样理解。我,车,马路,对方车,自行车,方向盘都在一个点上,什么意思?空间没有了。对吧?空间不存在了,速度才能恒定。那么对我们人类来说,光子从太阳启程,穿越巨大空间到达我们的视网膜,对光子来说,根本没有这个空间。
呵呵,头脑乱风暴一下。看了双缝实验的种种怪异,兴致勃勃,感觉微粒世界是没有空间和时间的。
越吃越蒙山人 回复 悄悄话 回复 '风水纵横' 的评论 : 呵呵,谢谢音乐家到访。看了那么多大学问家的背景介绍,我越来越相信,音乐和逻辑是相通的:)
风水纵横 回复 悄悄话 坐下了。
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