我们哪里错了?

这不是一篇科普,这只是一篇对于从经典力学到狭义相对论的回顾。爱因斯坦是一个伟大的人,他的伟大不是因为他在实验室里通过做物理实验发现了什么牛B的现象,他的一切实验都是思想实验,他单单凭借大脑的空想,就建立了狭义相对论。现在我们来重新回顾这一历程,看看他哪里错了。

先从牛顿说起。回想一下牛顿第一定律,中学物理老师整天特爱念叨这个,“任何不受力的物体都保持静止或匀速直线运动状态”。一个物体是静止还是运动的,取决我们站在哪看。比如你站在火车上看火车,火车就是静止的。你站在地面上看火车,它就是运动的。无论如何,只要它满足牛顿第一定律,就说我站的这个点(参考物),是惯性系。

现在换个问题,如果我们站在火车里面,拉上窗帘,屏蔽所有声音和火车以外的信号。你能否知道火车现在是在走,还是到站停下来了呢?你扔个苹果笔直的扔上去,发现它还是笔直的落下来。你倒杯水,发现水流并不会倾斜。你不知道,你根本没办法知道。这个就是所谓的“力学相对性原理”。在惯性系内所做的任何物理实验,都无法告诉你,这个惯性系是静止的还是在做匀速直线运动。想知道,只有打开窗子看看外面。

马哲老师一直在说:“运动是绝对的,静止是相对的。”可惜19世纪的物理学家们,缺乏这个常识,他们并非一生下来就得接受马克思主义教育。某天,他们发现了一个奇怪的现象,光波在真空中也能传输。亲爱的,你知道什么是波吗?你扔个石头到水里,水因为上下震荡所以才能产生水波。没有水,能有水波吗?没有空气,能有声波吗?没有人类,会有文艺复兴吗?不行,绝对不行。光波必须也得有个载体。为此,我们认为,真空的玻璃罩里也有东西,只是这种东西超出了我们现在的感知能力。这种东西必须是无处不在的,所以你在地球上的任何地方,制造一个真空,发现光线依然能在里面传输。

这个不生不灭,没有质量,无处不在的东西,我们称为以太。这是一个完全空想出来的东西。好了,既然它弥漫了宇宙的每一个角落,我们可以认为它是静止的。于是我们可以把它当作坐标系,认为我们都是在相对于它运动。那么既然以太是静止的,光波是以太形成的波,那么光波在真空中的传输速度,必然是恒定的。这个速度是指光波针对以太来说。可是完了,地球是运动的啊?

想这么一个实验:有一个正方形的房子,房子中央有一盏灯。我们现在打开灯,那么光线就会照亮四面墙。毫无疑问,光线肯定是相同的速度同时达到这四面墙。哦,可是不,这是在我看来。事实上,这个房子只不过是某个宇宙飞船的一部分。地球人站在地球上看我们,发现不是这样的。打开灯之后,光波向四面扩散,一面墙在飞离它,一面墙在靠近它。那么毫无疑问,在房间的运动方向上的那面墙,最后被照亮,而与之相反的方向,最先被照亮。

柯南说,“真相只有一个”。

物理学家做了无数次试验,结论都是:光线总是同时到达。无论你站在什么样惯性系内观察,都是这个结果。

怎么办?

回想之前,我们是如何计算速度的?假设火车相对于地面的速度是300km/h,而现在有个人站在火车上向车头走,他相对于火车的速度是1km/h,那么他相对于地面的速度是301km/h。v=v1+v2。狭义相对论的主要工作就是修正这个公式,让v1+v2的结果一定小于等于光波在真空中的速度。

传统的坐标转换公式是:$$ x’=x-vt $$

修正后的是: $$ x’=\frac{x-vt}{\sqrt{1-(\frac{v}{c})^2}} $$

如果v>c,那么上述的式子在实函数中就是没有意义的。但是nature上的这篇新闻让全世界震惊了:《Particles break light-speed limit》 http://www.nature.com/news/2011/110922/full/news.2011.554.html

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