日常生活中,我们时刻能感受到速度,也正是因为在我们身边速度的概念太常见了,所以我们都习以为常了,所以不太容易去思考有关速度的一些更深层的东西。
从古代社会,人们就开始认识并定义速度。比如说在古希腊,人们对速度的定义可谓简单粗暴,认为只要物体不受力,一定处于静止状态,而且是绝对意义上的静止。同时,任何运动的物体都有速度,这个速度是绝对的,在任何人眼里都是一样的。
举个例子,你面前停着一辆汽车,在你眼里它就是静止的,在其他人眼里也是静止的。除非汽车受到外力作用,否则会一直保持静止。如果汽车受到外力获得一定的速度,比如说每秒20米的速度,那么在任何人眼里汽车的速度都是20米每秒。
这种对速度的理解方式在我们现代人眼里显得有些可笑,但我们不能嘲笑古人对速度的认知,毕竟任何时代都有很难突破的局限性。古人对速度的错误理解主要是忽略了一点,那就是:参照系!
没有参照系,速度将因此失去意义。
比如说,甲静止在地面上不动,乙和丙在一辆高速行驶的汽车上。在甲眼里,乙和丙的速度很快,但在乙眼里,丙是静止不动的。
所以,丙到底是静止的还是在高速运动?或者说丙的速度到底是多少?
这个问题也再次强调了参照系的重要性,没有参照系,速度将没有物理意义。
在如今的我们看来,给速度定义合适的“参照系”是理所当然的事情,但在几百年前的古人眼里,能够提出“参照系”的概念是非常不容易的。而“参照系”概念的提出,使得人们对速度本质的理解有了更深刻的认知。人们开始明白,世间一切速度都是相对的,没有绝对的速度,这也被称之为“相对性原理”。
看到这里,或许你会不屑于顾:如此简单的物理现象,干嘛说得这么神秘呢?
简单的物理现象背后,往往隐藏着更深层的规律。而光的出现,让人们开始从简单的相对速度思考更深层的物理现象。
我们都知道,光在真空中的速度是30万公里每秒。但前面已经说过,任何速度都是相对的,都必须有参照系才有意义。如此说来,“光在真空的速度是30万公里每秒”的说法就是不严谨的,因为这种说法没有给光定义“参照系”:也就是说,“光相对什么能达到30万公里每秒的速度呢?”
不要小看这个问题,科学家对这个问题的思考和辩论极大地推动了现代物理学的发展,可以说完全颠覆了人们的传统认知。
伟大的麦克斯韦方程组表明,光就是电磁波,同时推导出光的速度只与真空的磁导率和介电常数有关,公式如下:
从公式中可以看出:光的速度公式中没有涉及到任何参照系,也就是说光速是绝对的,光不需要参照系,或者说在任何参照系下,光速都是不变的。这也是光速不变原理。
举个例子,假设你和一束光沿着一个方向飞行,你的速度为20万公里每秒,按照传统的相对速度计算公式,那束光相对你的速度应该是10万公里每秒。
但事实上并非如此,那束光相对你的速度仍旧是30万公里每秒,而且不管你的速度有多快,哪怕无限接近光速,光相对你的速度仍旧是30万公里每秒!
如果你穿越到古代,向人们讲述上述光速的特殊性,古代人们肯定会认为你疯了,哪怕是牛顿估计也很难接受光的这种特殊性。
不要说古代人类,19世纪末20世纪初的科学家也很难接受光的这种特殊性,但除非麦克斯韦方程组错了,否则光就是如此特殊。
但麦克斯韦方程组是如此的优美,甚至被认为是人类历史上最伟大的公式。在后来的不断验证中,麦克斯韦方程组都被证实没有错误。
既然这样,当时的物理学家们就应该心平气和地接受“光速不变原理”。但说起来简单,由于光的这种特殊性与牛顿的经典力学相悖,而牛顿经典力学统治了物理学界几百年历史,早就被“奉为神明”,当时的物理学家想尽各种办法来“左右逢源”,试图调和牛顿经典力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾,但都没有成功。
伟大的爱因斯坦用他那天才般的大脑思维,用“奥卡姆剃刀”把经典力学的思维方式一下子“咔嚓”掉了,提出了完全颠覆传统认知的理论:相对时空观。
爱因斯坦认为,时空并不是绝对的,而是相对的。时间和空间是一个整体,两者不可分割。为了迎合光速的绝对性,意味着某些东西必须发生相应改变,这些东西就是时间和空间。简单想一下也比较容易理解,你在地球上静止不动,我以90%光速飞行,你和我看到的光的速度都是一样的,都是光速,这意味着某些东西(就是刚才说的时间和空间)必须发生改变,不然我们看到的光的速度不应该是一样的。当然用数学也能推导出来时间和空间到底如何改变的,之前的文章有详细说明,这里就不详述了。
简单讲,时间和空间会因为速度(还有引力)的变化而发生改变,这就是时间膨胀(钟慢效应)和尺缩效应。速度越快,时间流逝就越慢。
而相对时空观的一个重要前提就是光速的特殊性:光速是绝对的,在任何运动状态下或者任何参照系下,光速都是恒定的。
严格来讲,你我,地球上每个人的时间流逝速度都是不一样的。只不过由于我们生活在低速世界,我们的速度与光速相比实在太小了,完全可以忽略不计,所以我们很难察觉到时间膨胀和尺缩效应,只有在亚光速世界,才会变得非常明显。