2018-05-26 23:19
十年前，我們國家在首都北京舉辦了一場無與倫比的奧運(yùn)會(huì)，那場奧運(yùn)會(huì)里有兩個(gè)非常耀眼的明星建筑：鳥巢和水立方。鳥巢和水立方東西相對(duì)而建，它們的對(duì)稱軸就是北京城的中軸線。中軸線的意思是如果我沿著這條線一直往南走，這條線會(huì)剛好經(jīng)過天安門故宮的正中央，會(huì)剛好經(jīng)過故宮里龍椅的正中央。
對(duì)稱在中國古人的意識(shí)里有多重要我們都懂，不說天安門故宮是非常對(duì)稱的，整個(gè)北京城在設(shè)計(jì)上都是非常講究對(duì)稱的，有西單就有東單，有西四就有東西，所以鳥巢和水立方以北京城的中軸線對(duì)稱而建就很正常了。除了早已深入骨髓的對(duì)稱，鳥巢和水立方另外一大寓意就是，它們對(duì)應(yīng)了中國古人最樸素的那種天地世界觀：天圓地方。
古人的世界里天是圓的，所以鳥巢是圓的，地是方的，所以水立方是方的。我們現(xiàn)在設(shè)身處地的站在古人的角度考慮一下，如果我們覺得我們自己生活的大地是方形的，日月星辰東升西落，我們也會(huì)很自然的覺得地球應(yīng)該是靜止的，日月星辰等其他的東西都在圍著地球轉(zhuǎn)。在這一點(diǎn)上東西方倒是保持了高度默契的一致，西方從古希臘到中世紀(jì)占主導(dǎo)地位的一直都是亞里士多德-托勒密的地心說（地靜說），認(rèn)為地球是靜止的，萬物圍著地球轉(zhuǎn)，直到16世紀(jì)哥白尼的出現(xiàn)才重啟了日心說（地動(dòng)說），否定了地球是宇宙中心的說法。
地心說的大招
雖然我們現(xiàn)在都知道哥白尼的日心說才是對(duì)的，但是在16世紀(jì)的歐洲，誰對(duì)誰錯(cuò)并不是那么明顯，而且，地心說的支持者有一個(gè)看起來非常難以反駁的終極大招：如果真的是地球繞著太陽轉(zhuǎn)，那么地球的運(yùn)行速度會(huì)很高，那為什么地球上的人對(duì)地球的高速運(yùn)動(dòng)一點(diǎn)也感覺不到呢？
很顯然，這是日心說無法回避的問題。而且，從日常的生活體驗(yàn)里我們也很難說服自己，在一個(gè)如此高速的地球上運(yùn)動(dòng)我竟然一點(diǎn)都感覺不到，這怎么可能？另外，我也請(qǐng)大家先搞清楚一個(gè)時(shí)間，不要把牛頓的運(yùn)動(dòng)定律套在上面去，因?yàn)楦绨啄岚l(fā)表《天體運(yùn)行論》的時(shí)間是1543年，距離牛頓出生的1643年，不多不少還有一個(gè)世紀(jì)，咱不能讓牛頓穿越一個(gè)世紀(jì)回去拯救那個(gè)時(shí)代“愚蠢”的人類。
伽利略的大船
徹底解決地心說大招的人是伽利略，他在1632年出版的巨著《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對(duì)話》一書中給這個(gè)問題做了一個(gè)終極解答，并且在書里用非常通俗的語言做了一個(gè)解釋。這一段話因此舉世聞名，流傳極為廣泛，我把這段話有選擇的給大家摘抄一遍：
“假設(shè)把你和你的朋友關(guān)在一條大船甲板底下的密閉船艙里，你周圍有一些蒼蠅、蝴蝶和小飛蟲，魚缸里還有一條魚，還有一個(gè)倒掛的水瓶，水滴一滴一滴的滴到下面的一個(gè)罐子中。
船停著不動(dòng)的時(shí)候，你留神觀察，小蟲都以等速向船艙內(nèi)各個(gè)方向飛行，魚向各個(gè)方向隨便游動(dòng)，水滴滴到下面的罐子中，你把任何東西丟給你的朋友，只要距離相等，這一方不必比另一方用更多的力，你雙腳起跳，無論從哪個(gè)方向上條，距離都相等。
然后假設(shè)船以任何速度前進(jìn)，只要是船是勻速的，也不忽左忽右的搖擺。你將發(fā)現(xiàn)，上述所有的情況都沒有任何變化，你也無法從其中的任何一個(gè)現(xiàn)象來確定船是靜止的還是勻速運(yùn)動(dòng)的。即使船運(yùn)動(dòng)得相當(dāng)快，你在跳躍的時(shí)候?qū)⒑鸵郧疤木嚯x一樣；你把任何東西丟給你的朋友所耗費(fèi)的力還是一樣大；水滴還是跟以前一樣一滴一滴的剛好滴在罐子里，不會(huì)一滴也不會(huì)滴向船尾，雖然在滴水的過程中船已經(jīng)移動(dòng)了一些距離；魚在水中游向魚缸前部所用的力不比游向后部的力大，它們將一樣悠閑的游向魚缸任何地方的食物；蝴蝶蒼蠅繼續(xù)隨便到處飛行，不會(huì)因?yàn)榇蚯斑\(yùn)動(dòng)它們就都集中到船尾；如果點(diǎn)香煙冒煙，煙將還是像一朵云一樣直立的向上升起，不會(huì)向任何一邊移動(dòng)。”
伽利略的相對(duì)性原理
這段在伽利略大船里的描述給出了一條重要的結(jié)論：在封閉船艙里發(fā)生的任何力學(xué)現(xiàn)象，都無法確定船是在勻速運(yùn)動(dòng)還是在靜止不動(dòng)。現(xiàn)在這個(gè)論述就稱為伽利略相對(duì)性原理或者力學(xué)相對(duì)性原理。
用現(xiàn)代的語言來表述伽利略相對(duì)論原理就是：力學(xué)定律在一切慣性參考系中都具有相同的形式，任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都無法區(qū)分靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性參考系。
或者更加簡單的說：力學(xué)定律對(duì)于一切慣性系都是等價(jià)的。
成書于東漢年間中國古籍《尚書緯·考靈曜》談到地球運(yùn)動(dòng)的時(shí)候說道：“地恒動(dòng)而人不知，譬如閉舟而行不覺舟之運(yùn)也?！狈g過來就是：“大地一直在運(yùn)動(dòng)但是人卻不知道，就好像是在密閉的船上卻感覺不到船的運(yùn)動(dòng)?！?/p>
這簡直就是中國古代版的伽利略相對(duì)性原理，用形象的“舟行不覺”來代替伽利略相對(duì)性原理也容易理解。
愛因斯坦的相對(duì)性原理
伽利略的相對(duì)性原理，或者說舟行不覺原理我們還是很好理解的，雖然不是特別直觀，但是仔細(xì)想想跟生活經(jīng)驗(yàn)還是非常相符的。但是，伽利略的相對(duì)性原理有一個(gè)非常大的限制條件：力學(xué)定律。也就是說伽利略的這個(gè)相對(duì)性原理只能保證所有的力學(xué)定律在一切慣性參考系中等價(jià)（任何力學(xué)實(shí)驗(yàn)都無法區(qū)分靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系），那么在電磁學(xué)、電動(dòng)力學(xué)、光學(xué)等其他領(lǐng)域，這個(gè)相對(duì)性原來是否還成立呢？除了力學(xué)實(shí)驗(yàn)，其他的電磁學(xué)、光學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)懿荒軈^(qū)分靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系呢？
我們先來看看電磁學(xué)的情況。
1831年，英國那位只上過兩年小學(xué)，完全靠自學(xué)成才，后來卻做出了電動(dòng)機(jī)、發(fā)電機(jī)的天才物理學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象：只要穿過閉合電路的磁通量發(fā)生變化，閉合電路中就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流。
這句話通俗一點(diǎn)來講就是：你一個(gè)導(dǎo)體在一個(gè)磁場里面，不管你是導(dǎo)體動(dòng)還是磁場變化，都能產(chǎn)生電流。如果你是磁場不變，導(dǎo)體相對(duì)磁體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的電動(dòng)勢就叫動(dòng)生電動(dòng)勢；如果你是導(dǎo)體不動(dòng)，但是磁場隨時(shí)間變化產(chǎn)生的電動(dòng)勢叫感生電動(dòng)勢（這里我們先假定這個(gè)磁場的變化是由于磁體相對(duì)導(dǎo)體的運(yùn)動(dòng)造成，這樣不涉及其他的物體，適合做對(duì)比）。在這樣的情況下，如果導(dǎo)體和磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度不變，那么這個(gè)動(dòng)生電動(dòng)勢和感生電動(dòng)勢的大小是相等的，這也說明了導(dǎo)體和磁體的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的，也就是符合相對(duì)性原理。
伽利略說力學(xué)規(guī)律在所有慣性系中等價(jià)，上面的例子也說明電磁學(xué)規(guī)律也是符合相對(duì)性原理的，那么按照道理按照設(shè)想，其他的物理學(xué)規(guī)律是不是都滿足相對(duì)性原理呢？
不管你認(rèn)為是不是，我們的愛因斯坦認(rèn)為是的。于是他把伽利略的相對(duì)性原理從力學(xué)規(guī)律直接拓展到了所有的物理學(xué)領(lǐng)域，他認(rèn)為所有的物理學(xué)規(guī)律都符合相對(duì)性原理，也就是愛因斯坦的相對(duì)性原理：任何物理學(xué)實(shí)驗(yàn)都無法區(qū)分靜止和勻速直線運(yùn)動(dòng)的參考系，一切物理學(xué)規(guī)律在慣性系中等價(jià)。
這樣的一步走起來看似簡單，對(duì)比伽利略，僅僅只是把伽利略相對(duì)性原理從力學(xué)擴(kuò)展到了所有的物理學(xué)，但其實(shí)是要非凡的勇氣。不過這個(gè)原理最早確是數(shù)學(xué)家龐加萊提出來的，他認(rèn)為：對(duì)于靜止的觀察者就像對(duì)于勻速直線運(yùn)動(dòng)的觀察者一樣，所有的物理定律必然都是相同的。龐加萊還提出：“也許，我們應(yīng)該建立一個(gè)全新的力學(xué)，在這個(gè)力學(xué)中，慣性將隨著速度而增大，而光速將變成不可逾越的界限?！笔遣皇强雌饋硪呀?jīng)很狹義相對(duì)論了？但是，由于龐加萊死活不肯放棄以太，不肯放棄牛頓的絕對(duì)時(shí)空，所以與狹義相對(duì)論擦肩而過。
相對(duì)性原理只是一個(gè)假設(shè)
需要再次提出的是，愛因斯坦的相對(duì)性原理只是一個(gè)假設(shè)，和光速不變一樣，這是狹義相對(duì)論的一個(gè)基本假設(shè)（其實(shí)狹義相對(duì)論總共也就這兩個(gè)假設(shè)），并不是什么定律定理，但是這樣的假設(shè)很是符合我們的經(jīng)驗(yàn)，但是沒有任何東西可以保證它的正確性。
為什么我們會(huì)做這樣的假設(shè)呢？
可能因?yàn)槲覀兿嘈庞钪嫦嘈派系凼瞧降鹊模麤]有任何理由偏愛這個(gè)慣性系而討厭那個(gè)慣性系，否則你說說他有什么理由選擇你而不是我？那么為了解決這個(gè)問題而引入一個(gè)更加麻煩復(fù)雜的問題，在科學(xué)上是不被推薦的，這和奧卡姆剃刀（如無必要，勿增實(shí)體）嚴(yán)重相違背。
另外，經(jīng)典力學(xué)對(duì)物體運(yùn)動(dòng)描述的精確度是驚人的，也就是說力學(xué)規(guī)律里相對(duì)性原理已經(jīng)達(dá)到了很高的一個(gè)精度，很難想象這樣一個(gè)精度如此之高的原理在另外的物理學(xué)領(lǐng)域里不實(shí)用。如果不實(shí)用，我們?cè)诘厍蛏暇吞幵诟鞣N不同的慣性系里面，也從來沒見誰發(fā)現(xiàn)過我的電磁學(xué)、光學(xué)或者其他什么規(guī)律在這里做實(shí)驗(yàn)成立換了一個(gè)參考系就不成立了。
狹義相對(duì)論有兩條基本假設(shè)：愛因斯坦相對(duì)性原理和光速不變。光速不變由于非常反常識(shí)，所以在各種讀物教材里都說得很多，而相對(duì)性原理因?yàn)榭雌饋硖敖?jīng)驗(yàn)正確”了，怎么說，就像是說了一句正確的廢話一樣，在很多人眼里毫無意義，所以在一般的讀物和教材里也很少出現(xiàn)，即便出現(xiàn)了也非常不受重視。
但是，我們應(yīng)該重視它，因?yàn)檫@是狹義相對(duì)論兩大根基之一，我們不能把在學(xué)校里學(xué)習(xí)物理養(yǎng)成的那種只管復(fù)雜容易混淆的東西的壞習(xí)慣一直帶在身邊，我們看一套科學(xué)理論要更加重視它的根基，重視它的邏輯演繹，重視它的系統(tǒng)性。（此處省略3000字，一提到科學(xué)的教育問題，總是異常揪心……）
我是長尾科技，一個(gè)致力于科普相對(duì)論、量子力學(xué)、計(jì)算機(jī)、數(shù)學(xué)，讓高深的科學(xué)理論通俗易懂起來，讓科學(xué)可愛起來的科技媒體。想了解更多相對(duì)論、量子力學(xué)的知識(shí)，關(guān)注微信公眾號(hào)長尾科技，回復(fù)“相對(duì)論”、“量子力學(xué)”即可，有問題可以回復(fù)“【提問】+你的問題”，期待你的到來~
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