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以下为《人人能懂的相对论》音视频演讲实录的部分内容,成为樊登讲书VIP即可获得全部内容。
我们今天讲一本非常神奇的书,叫作《人人能懂的相对论》,这是一本关于相对论的普及读本,它让我知道了E=mc²这个公式并不是我们不可以探索的。这个公式并不是来自一个神祇让爱因斯坦突然之间灵光乍现,就写出来了这么一个揭示了整个宇宙奥秘的质能转换的公式,而是来自一个非常精密的数学推导过程。这里面所用到的数学难度基本上没有超过勾股定律。爱因斯坦就是用数学中的勾股定律,结合动能和动量守恒,这些简单的公式加在一起,同时用极其严密的逻辑推导,得到了一个正确的答案,质量和能量之间的转换由此被他破解了。
1905年,爱因斯坦发现了E=mc2这个公式。这个公式完整的表达其实不是这样,而是E=mc2+1/2mv2,1/2mv2是动能的公式,所以实际上E约等于mc2。但是因为那个v和c比起来是非常小的,几乎可以忽略不计的,所以我们把它缩略成了E=mc2。
首先,我们要了解光速、时间和空间之间的关系。“爱因斯坦狭义相对论的核心内容是对时间以及空间的描述。其中,最重要的一个概念是一种速度,一个宇宙中任何事物都不可能超越的极限速度——光速。在真空中,光速达到每秒299 792 458米。”这是光速的一个精确值,我们一般把它简称为30万公里每秒。“光以这个速度,从地球出发,经过8分多钟可以到达太阳,10万年以后能穿越我们所在的银河系。”
各位想想看宇宙得有多大?就是以一束光的速度,需要8分钟才能到达太阳,10万年才能穿越银河系。“这个特殊速度的存在,或者说宇宙速度上限的存在,本身就是一个很奇怪的概念。”因为它给我们的感觉就好像是没有任何物体的速度能够超过光速。如果我们能够超光速地移动,各位知道后果是什么吗?那么,人造时间机器就能够回到历史上的任意时刻。
这一点为什么是不能够被接受的呢?因为它会打破因果律。事情会有前因和后果,你不能倒果为因。倒果为因就是你比你爸爸先出生,那其实你是没法出生的。当然,我们不是为了这个因果律而去限制光速,而是因为光速就是一个没法突破的速度,所以保证了我们这个因果律是一直存在的。
大家过去认为空间是一种坐标系统,我们都得生活在这样一个空间当中,没有空间这么一个舞台,我们都不知道在哪儿生活。但实际上,空间和时间是相对的。如果速度足够高的话,空间会被压缩。我讲一个大家能听得懂的例子,比如你们家车库有4米长,结果买了一辆超长的车,4.15米,总之比车库长一点,停不进这个车库。爱因斯坦给你出了一个主意,说你用极快的速度开进去(注:该速度需要超过26%的光速),就能停进去了。不用撞那个墙,只要你开进去的速度足够快,就能停在里面。你的车辆的长度会被压缩,这个是可以计算出来的。压缩以后,它的长度就够放到那个小车库里去了。所以,空间也是一个可以变动的体系。
因此,在这儿我们得出一个什么结论呢?就是大家要知道,绝对空间也是没有意义的。空间可以放大,空间可以缩小。这是我们首先得知道的光速、时间和空间的关系。
接下来就要讲到麦氏方程组了。对于爱因斯坦来讲,他认为这个地球上最伟大的物理学家,就是麦克斯威尔(注:麦克斯威尔,英国物理学家、数学家。在电磁理论领域做出了巨大贡献。另一常用译法为麦克斯韦)。在麦克斯威尔之前,还有一个很重要的物理学家是法拉第。大家都知道法拉第。法拉第发现在一个线圈里塞进磁铁,那个磁铁只要一运动,就能够产生磁场和电场。他把这个现象叫作电磁感应。为了描绘这个磁场跟电场,他画了很多磁力线,并且发明了场这个概念,让我们看到了电磁转换的可能性。
接下来,在1864年,就是法拉第去世的三年前,麦克斯威尔总结出来了一套方程组,能够展示某些不同量之间的深层联系,这些联系往往不能从实验结果中一目了然地看出来。通过这样的方式,方程式常常能够带领我们更深层、更深刻地了解大自然。“麦克斯威尔的波动方程描述了两个来回振荡的场是如何互相联系起来的,同时也预测了这些波一定是以某种特殊速度前进的。……这个速度被断言是电场和磁场的强度之比。”两者的强度比是电磁波的速度。
“法拉第的实验联手麦克斯威尔的数学天赋,预测到电磁波的速度到底是多少呢?”注意听这个数字:299 792 458米/秒。也就是说,这个电场和磁场强度的比率,就是这个电磁波传播的速度,跟我们后来所说的宇宙当中的这个c(也就是光速)一模一样。“这是一个极具突破性的关键时刻,也是一个极好的例子,证明物理学是一门精妙、强大并且意义深远的学科。……麦克斯威尔偶然间发现了一个关于光本身的解释。”(即光的本质就是电磁波)