牛顿没有解决的问题爱因斯坦解决了。引力的产生是因为物体对空间的扭曲,这么抽象的事情用一个床单就能解释清楚。可是这毕竟是床单啊,空间到底又是如何被扭曲的呢?这个问题的答案就要从相对论这个名字开始说起了,主要是“相对”这两个字。不知道同学们知道不知道相对这个词在我们日常生活中是什么意思,它的反义词是绝对。即使不知道也没有关系,听完我的解释大家就明白了。
最早把相对的概念引入到科学中的并不是爱因斯坦,而是伽利略。之前我们讲过100年前爱丁顿的故事,也讲过300多年前牛顿的故事,这一次我们将要回到400多年前。有关伽利略的故事大家应该听过了不少。
他因为支持哥白尼的日心说,被教皇监禁;他发明了天文望远镜,成为第一个用望远镜看向天空的人,发现了月球上的环形山、木星卫星以及太阳黑子等等天文现象;他还发现了很多运动和力有关的物理规律,牛顿的成绩很大程度就是建立在他的基础的。他也是公认的现代科学之父。
把相对的概念引入到物理中就是他的一个重要贡献,他认为运动是相对的。什么意思呢?举个例子,先问一下,你是喜欢运动还是喜欢静静地看书或是听科学呢?不论你的选择是什么,你应该都能感觉到运动是很累的,静止不动就会轻松,这一点我想大家都不会怀疑。但是你们知道吗?即使你睡觉的时候,也是在快速地运动着的,而且还快得超过了飞机的速度。
这个时候你是不是就开始怀疑了。怎么可能啊,我们睡觉醒来还是在自己的房间,在自己的床上,丝毫没有改变啊。这怎么能说我快速移动呢,还比飞机快,绝对不可能。别这么着急下结论,要是你的床,你的房间和你一起以相同的速度快速运动,这个时候你还能感觉出来吗?不要怀疑你的床和房间也会运动,因为正在运动的是地球本身。
绕地球一圈,在赤道上是4万公里,地球一天也就是24个小时自己就会转一圈。这就是说,在地球的任何东西,不论是床还是房间,或者是你自己都会随着地球转动。如果在赤道上的话,就是坐着不动日行4万公里,相当于是1小时运行1600多公里,一秒钟460多米,超过了声音的1秒钟340米的速度。当然我们不在赤道,在地球其他地方速度会慢一些但仍然是一个很惊人的速度。
这其实就是伽利略指出的运动是相对的。
你以为睡觉的时候是静止不动的,这没有错,这是因为你和你的床进行比较。要是和地球外面的某个东西做比较的话,你就是在和地球在一起旋转。这还只是考虑了地球自转的情况。如果是和太阳作比较,地球绕着太阳旋转,速度就更快了,可以到达1小时10万公里。这还不是最夸张的,太阳系整个都是在绕着银河系的中心进行旋转的,如果和银河系中心的黑洞作比较的话,那你睡觉是的速度可就是1小时90万公里了。
这还不是最快的,如果加上银河系在宇宙中的速度是可以达到1小时216万公里的。
所以,你还敢随随便便就说你是在静止不动地躺着睡觉吗?按照伽利略的要求,你一定要这说才是正确的,也就是你相对于自己的床是静止的。同样,如果一个东西是在运动的,就比如正在马路上跑着的汽车,速度挺快吧。这是相对于地面,如果是相对于旁边并行的汽车,或者在汽车上坐着的人,汽车就是静止的。
伽利略说的运动是相对的,这个现在来看是不是还蛮简单的?而且应该是绝对正确的,非常符合我们日常经验。甚至我还能根据这个运动的相对性知道更多。你正坐在每小时300公里的高铁上,相对于地面你的速度也是300公里每小时。这时候,你开始在高铁上做游戏,跑了起来。你在火车上奔跑的速度是10公里每小时。那你相对于地面的速度是多少呢?
如果奔跑的方向和火车一样,那么你相对于地面的速度就是300+10=310公里每小时;如果奔跑的方向和火车相反,那么你相对于地面的速度就是300-10=290公里每小时。
本来这一切是很完美的,伽利略和他的继承者牛顿也用这个原理解决了很多问题。可是,就当所有人都认为这是绝对的真理的时候。科学家发现了一个特别奇怪的事情。让这个正确了几百年的理论根基发生了动摇。
还是上面动车的例子,不再是你来回奔跑了,跑来跑去你也会很累的,而是用手电筒射出的光线来代替你奔跑。光的速度相对于火车是1秒钟30万公里,动车的速度不变还是300公里每小时。如果我再问,相对于地面,这一束光的速度是多少呢?你是不是觉得,也要先判断一下光线的方向是不是和动车方向一样。如果一样的话,两个速度相加,如果不一样的话两个速度相减。
问题就出现在这里。
最后实验证明,不论光线是射向车头还是车尾,从火车外面去看,光速都是30万公里每秒,和在火车里面的速度是一模一样的。光速和火车的速度没有关系。不只是火车上,任何情况下,光速都是不变的。这就是运动的相对性出现了矛盾,光速是不变的,也就是说它是绝对的。这太难以想象了,就好比你做数学题,计算10+10等于几,结果正确答案不是20,而是仍然是10。
科学家们看到光速不变,就和你看到10+10=10是一样诧异的。
现实和理论出现了偏差,错的一定不会是现实,一定是理论出错了。这个问题突破了很多人的想象,最后还是爱因斯坦出现拯救了大家。他告诉我们,相对的不是运动,而是时间。运动的越快的东西时间就会过的越慢,当达到了光速的时候时间就会停止了。而且任何物体的速度都不能超过光速,超过光速就会带来时间倒流。这就是相对论了。为什么光的速度不变,就可以推断出时间会变化呢?爱因斯坦是怎么得到这个结论的呢?我们下次再继续介绍。