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聊聊狭义相对论-第20章

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  t’=(r/v)(1…γcosθ),这里的γ=v/c。 
  而且在你看来,喷流应该是从Q点走到P点的(可以明白吗?再想想,要从你自己所看到的角度出发!),所以,喷流的视速度是 
  v’=y/t’=(rsinθ)/' (r/v)(1…γcosθ)'=vsinθ/(1…γcosθ) 
  OK!接下来,我们来讨论一下,视超光速是怎样产生的。 
  当v远远小于c的时候,γ就相当接近于零(有点像狭义相对论中的讨论,不过,却是决然不同的两回事!),那么视速度v’就近似为vsinθ。这是接近真实结果来的。但当v和接近于c,结果就大相径庭了!只要你算一下,就会发现,视速度v’甚至可以大于光速! 
  这就是视超光速产生的原因了! 
  我们可以来具体算一算。 
  假设喷流在O点的光线经过100年到达Q点。而v很接近于c,喷流经过101年后到达P点。设θ等于8度,而PQ长为14光年。 
  Q、P到观测者的距离差异就忽略不计了,因为这点差异跟那些距离比较起来,就是“小巫见大巫”了! 
  呵呵,这在观测者看来,喷流仅仅用了1年就从O来到了P! 而PQ距离只不过是14光年!算一下,结果的速度是多少?光速的14倍! 
  能够大肆宣称你发现了超光速了吗? 
  肯定是不能的! 
  “横看成岭侧成峰,远近高低各不同”,要知道,“看”到的未必就是正确的呢! 
  “眼看”未必“为实”呀! 
  不要忘记,世界杯球场上,由于裁判跟你们的视角不同,可能有些判罚结果会相差十万八千里呢! 
  而视超光速的产生与什么因素有关呢? 
  留个作业吧。 
  给个提示,可以根据上面的那个视速度的表达式,看看它与速度v和角度θ有什么关系。 
  依此看来,那些报道都还真未能够把狭义相对论拉下历史的舞台呢! 
  不过,上面这些解释是不是真的就是绝对正确了呢?仁者见仁,智者见智吧。 
  无论如何,这都在某一种程度上冲击了狭义相对论的结论,虽然未成大气,但都带给了我们这样一个革命的气息——按照如此走向,或许,若干年后,随着人类认识、实践范围的扩大,说不定还真发现了“真正意义上的”超光速呢! 
  而根据中国科技信息网(Chinainfo)2007年8月16日的消息,英国《每日邮报》(Dailymail)8月15日报道说,德国科学家利用量子隧穿效应(quantum tunnelling)找到了让光突破自己的速度限制的方法。对此,德国科布伦茨大学(the University of Koblenz)的Gunter Nimtz教授说:“目前,这是我所知道的唯一违反狭义相对论的一种现象。(〃For the time being; this is the only violation of special relativity that I know of。〃)”如果这个实验得到确认的话,那将意味着狭义相对论需要被改写。 
  在上个世纪60年代,人们从理论上预言了一种超光速粒子的存在——快子(tachyon)。这种粒子将可以以超过光速的速度运动,而且具有其他一些奇非常怪的特性,不过至今尚未有重大的突破。要是这种粒子被证实存在的话,将会发生什么样的事情呢?留给诸位去思考吧。 
  在光速的问题上,谁会笑到最后呢? 
  是爱因斯坦吗? 
  看来,只有让时间来告诉我们了!



冤冤相报何时了? 
  自1927年的索尔维会议算起,长达28年、战场跨越欧洲和美洲大陆的爱因斯坦—玻尔论战随着爱因斯坦的离去暂且告了一个段落。双方最终谁也没有说服谁,使得对方相信自己的观点。然而,两大理论本身的对峙却没有因此而停止步伐,反倒愈演愈烈。 
  前面我们已经说过,狭义相对论骨子里头有着经典理论的光荣传统,之所以叫做“经典理论”,那正是用以区别于量子力学。 
  决定论,那是经典理论的精髓。 
  是的,万事万物的运转早已被铁定了下来! 
  我们只要知道某一系统在某一个时刻的所有数据,那么我们将可以推算过去,预知未来! 
  上帝不过是一个钟表匠而已! 
  然而,量子力学却将这样的传统扔进了历史的垃圾桶! 
  对量子世界而言,一切由不确定性主宰,一切由概率论来说话! 
  每一件事都是不太确定的!每一件事的发生都有一定的概率! 
  它可能有20%的机会这样发展,而有80%的机会那样发展,但是,你却预言不了它接下来究竟会发生什么样的事情!概率小并不意味着它不会发生!概率大也绝不预示着它必定会发生! 
  是的,只能用概率来描述! 
  这个世界是概率的世界! 
  这从根本上跟狭义相对论相悖! 
  然而,在微观世界的实验中,这样的法则却屡试不爽! 
  以致于在1986年,英国剑桥卢卡斯的莱特希尔(James Lighthill)教授(这个位置可是当年牛顿坐过的,而反物质的预言者狄拉克也担任过这个职位,前面也说了,现在由霍金掌管)公开向全社会作出了这样的道歉:“现在我们都深深意识到,我们的前辈对牛顿力学的惊人成就是那样的崇拜,这使他们把它总结成一种可预言的系统。而且说实话,我们在1960年以前也大都倾向于相信这个说法,但现在我们知道这是错误的!我们以前曾经误导了公众,向他们宣传满足牛顿运动定律的系统是决定论的,但是这在1960年后已被证明不是真的!我们都愿意在此向公众表示道歉!” 
  是的,爱因斯坦输了! 
  是的,决定论也输了! 
  而在因果律方面,狭义相对论也同样遭遇了滑铁卢! 
  爱因斯坦深深地信奉因果律,而他的理论也是满足因果律的要求的。对于爱因斯坦来说,这是显而易见、毋庸置辩的事情——在所有的惯性系看来,一件事情的起因都必须发生在其结果之前。举个例子来说,“苹果掉了下来”这是起因,而结果是“牛兄发现了万有引力定律”,那么对于所有观测者来说,都应该是这样——起因在结果之前。而不应有人看到:牛顿发现了万有定律之后,苹果掉到他的头上! 
  而前面我们也讨论了,光速作为最大的信号传播速度,恰恰保证了这样的秩序要求。 
  其实,选择因果律蕴涵着一种自戕的意味。 
  在经典理论中,包括牛顿力学和相对论,时间是没有箭头的——它们是决定性的,我们可以推算过去,更可以预言未来,而且经典理论对于向前和向后的时间是不可区分的! 
  也就是说,向前和向后的时间是一样的!是等价的!都是方程所允许的! 
  这就有一些不太漂亮的地方了! 
  我们再在“苹果掉了下来”的前面加个原因——“苹果熟透了”。 
  按照因果律的理解,每一个起因唯一地导致了一个结果。 
  但参照经典理论,向前和向后没有区别!那么,很明显,我们可以这样说——苹果掉了下来导致了牛顿发现万有引力定律;也同样可以说,苹果掉了下来,导致苹果熟透了! 
  因为在经典理论中,没有方向可言!向前和向后都是等价的! 
  但这就跟我们的生活经验有些矛盾了! 
  苹果掉下来怎么能说是苹果熟透了的原因呢?! 
  所以经典理论在这些不可逆的现象上遭遇了极大的尴尬! 
  由于理论本身是没有时间方向的,是前后对称的,而再去选择因果律,就会在解释一些现象上显得力不从心了。 
  另外,在量子力学中,却出现一些违背了因果律的事情。 
  比如说,当我们在某一个地方对电子进行测量后,它那弥漫于整个空间的波函数就会坍塌。然而这种坍塌却改变电子在整个宇宙空间的状态! 
测量可以使所有的可能结果瞬时变成一个确定的结果! 
  这意味着什么呢?你在一点进行了测量,却瞬时影响到了所有的地方,不管它有多么远! 
  这种非局域性的坍塌将会违背因果律的铁条!本来有一些地方跟测量处是没有因果关系的,它们相距太远了,以致于用光信号也不能联系!但是,在量子力学中竟然出现了这样的事情! 
  (如果你在这里感到一头雾水的话,不要紧,你只要知道有这么一件事情就足够了——量子力学中存在违反因果律的事件,而不必去深究。要是你对此有兴趣的话,可以去读一下量子力学的相关书籍,可以说,量子力学也是物理学中最动人的篇章之一。) 
  不幸的是,这种奇妙的预言再次得到了实验证据的支持! 
  1982年,阿斯佩克特(Alain Aspect)和他的同事在浪漫之都巴黎进行了相关的实验,结果证实了量子力学的预言! 
  爱因斯坦又输了! 
  输得一败涂地! 
  毋需赘言了,否定的实验证据上只需要一个就已经足够了! 
  否定后件的推理! 
  等于已是判决了经典理论的死刑! 
  是的,爱因斯坦,别去指挥上帝该怎么做! 
  好了,关于狭义相对论的挑战我就简单说到这里吧。对于其他的结论,或者逻辑推理上所受到的质疑和挑战我就不说了。其实,在广义相对论里面,同样遭遇了不小的挑战,像广义相对论的原理就跟宇宙学上的结论出现了一些不协调。



如此看来,狭义相对论已是伤痕累累。 
  那么,面对这样一个充满疙瘩、百孔千疮的理论,我们是不是应该彻底抛弃它呢? 
  不可!万万不可! 
  检验一个理论的好坏,最根本的要看它是否能够对人类的社会进步作出贡献,是否为人类带来巨大的财富! 
  我们绝对不能忘记相对论所带来的巨大社会财富。在粒子领域相对论已是不可或缺的工具,在GPS等方面也发挥着重要作用。从这个角度来说,它依旧是符合我们这个时代的好理论!我们应该不断发挥它的长处,让它继续为我们带来更大的社会财富,直到它一点用处也没有的时候方能将它摆进博物馆。事实上,我们现在不也依旧在运用牛顿力学吗,因为它依旧是低速世界的一个好理论! 
  如果我们一味地追求一个绝对完美的理论,很有可能是竹篮打水一场空!我们将会两手空空,没有一个理论来指导我们的实践活动!更不可奢谈任何的社会财富!这样的话,科学将失去它最原始的意义!这是不合算的!更是不可取的! 
  但是,我们也不可认为狭义相对论就是不刊之论。随着科学的不断发展,狭义相对论必将会被其他的理论所取代,这已成为诸多物理学家的一致观点。 
  一言以蔽之,我们必须辨证地看待一个理论! 
  好了,一路来走到现在,咱们的冒险旅途也即将要结束了。看到了没有?前面就是终点站了! 
  胜利的红旗迎风飘扬,胜利的歌声多么响亮! 
  回想一下…… 
  我们在16世纪的欧洲踏上征途,见证了那个时代翻天覆地的革命思潮席卷大地,看到了那个世纪科学与宗教的不朽斗争,而科学先贤们为了真理不惜抛头颅,洒热血,谱写了一曲曲动人肺腑的科学赞歌! 
  我们曾经与伟人同行,领略了日臻完善的经典物理学大厦的金碧辉煌,云蒸霞蔚。见到了经典物理学如日中天,气贯长虹的一派景象。 
  我们也曾冲进那场由两朵不起眼的小乌云所带来的暴风骤雨中,见证了脆弱的经典物理学大厦如何在风云变幻中轰然坍塌! 
  我们还曾在麦克尔孙…莫雷实验中徘徊歧路,面对满目疮痍的世界,我们如堕五里雾中,百思不得其解。 
  我们也曾亲临人类科学的异端分子身边,目睹了他的叛逆成长、不畏权威。更体会到了他傲视群雄,崭露头角,叱咤风云,用五篇含英咀华、荡气回肠的论文,在惊涛骇浪中大刀阔斧地开辟了一个新的时代! 
  我们还被那些“空间与时间齐飞,质量共能量一色”的千奇百怪的结论弄得头昏脑涨。相对时空观、时间膨胀、长度收缩、质量变大……一时间让我们眼花缭乱,应接不暇。 
  我们同样感受到了爱因斯坦在和平事业上的奔走疾呼,在统一场论的探索上壮志未酬,以及在世纪论战上的针锋相对。 
  我们也细细品味了目前狭义相对论的种种挑战,与量子力学那不可逾越的鸿沟。 
  快乐、迷茫、泪水、汗水…… 
  …… 
  诸位呀,现在,请屏住呼吸,闭上眼睛,细细体会一下,冒险的长征终于落下帷幕,有没有一种过后尽开颜的冲动?有没有一种功成名就的感觉?是不是“回首向来萧瑟处,也无风雨也无晴”呢? 
  放下行李吧!好好地洗个澡,换上一套轻松的衣服,今晚我们还有一个篝火晚会,同时还会给大家一个大大的惊喜…… 



第五章 学到了什么?
古人曰:“上下四方曰宇,古往今来曰宙”,这正是“宇宙”一词的来源,而也指出了宇宙应该是指时间和空间所有一切。 
  而时间是什么?直至今天,物理学仍然没有一个确切的回答! 
  而至于有关微观粒子的问题,希望你可以进行一次学习,那也是非常好玩的!从电子到夸克,你将经历一次梦幻之旅! 
  可能在描述“日心说”这段历史时,过于戏剧化了一点,不过那些日期呀,书名呀……还是有依据的。至于参考文献,我会在正文结束后帖出来。

皓月当空,光浴万物。禽鸟啾啾,水声潺潺。芳草鲜美,落英缤纷。野芳幽香,佳木繁阴。清风徐来,树影婆娑。 
  这,的确是一个美好的夜晚。 
  把酒临风,金杯错落。玉手琵琶,霓裳六幺。诵明月之诗,歌窈窕之章。 
  好不热闹!看来,有人比我们先到了! 
  “欢迎!我们已恭候多时!”一群人向我们走了过来。 
  仔细瞧瞧!看看他们是谁!惊喜若狂吧?! 
  爱因斯坦……牛顿……伽利略……哥白尼……麦克斯韦……洛伦兹……麦克尔孙……玻尔……霍金…… 
  怎么全都来了? 
  哈哈!别愣住了!我们都坐下来吧,围着篝火坐成一圈。呵呵!你要左在爱因斯坦的旁边是吗?行,没问题! 
  也不要矜持哟!今晚所有的的科学家都会说中文!畅所欲言便是。 
  我们来好好回忆一下,一路来我们遇到了些什么,又学到了什么。 
  好,接下来,每个科学家都会向你们提一些开放性的问题。 
  爱因斯坦先来吧。 
  “小朋友们(这厮竟然这样叫我们)!一路走来,我们不断看到一些奇怪的事情,光速不变呀,运动的木棍缩短呀,时间变慢,还有质量竟然会变大!这些似乎都违反了我们的‘常识’!不过,你的脑袋转过来了吗?接受了这些令我们瞠目结舌的东西了吗?Peter Coveney 和Rogen Highfield在他们的著作《时间之箭》中说了这样一句话——‘遗憾的是,常识往往是对真实世界的误导!’,一路过来,相信你也不止一次地体会到,似乎我们的常识经常在蒙骗我们!这对你以及你的认识产生了怎样的影响?结合科学家们的探索过程,你又认为这个世上还有绝对的权威吗?” 
  爱因斯坦就是爱因斯坦,一下子就问了三四个问题!好,欢迎哥白尼先生! 
  “你有没有感觉到了物理学发展的特征?是不断地由新代旧吗?是一步步地接近真理的吗?这你又有什么感悟?对于生活方面的呢?”哥白尼给我们的感觉永远是一个“革命家”! 
  “近代科学之父”伽利略小心翼翼地站了起来,还用双手在四周乱摸了一通,1637年,在宗教裁判所的的囚禁下,他双眼完全失明,看起来非常憔悴,让人十分伤感。他清了清嗓子—— 
  “你们有没有体会到,……每一个新的想法、一个新的理论,都是那么充满想象力?……嗯……想象力重要吗?” 
  笛卡儿缓缓地搀扶着伽利略坐下,然后说道: 
  “记得A。Lightman说过:‘对于现代一个物理学家来说,电子这个词就意味着一个特殊的方程’,物理学终究离不开数学!通过这次冒险,诸位是否感觉到,数学对于物理学很重要,而且数学公式也并没有想象中那么可怕?” 
  牛顿面无表情地站了起来,挥动着手指说: 
  “经典力学还重要吗?是不是有了相对论,就可以完全地把它丢开?我们还需要经典力学吗?” 
  洛伦兹接过话来,笑了笑,问道:“对于狭义相对论,你认为它是个人的创造多一些,还是时代造就了它的光辉?” 
  玻尔看了看爱因斯坦,对着他笑了一笑,指着爱因斯坦说:“怎样去评价爱兄?”爱因斯坦听了,一边点头,一边微笑。 
  霍金驾驶轮椅,来到圈子中央,在篝火旁,发声器响了:“ 1988年的诺贝尔物理奖得主L。M。莱德曼教授坚信,在全球60亿人口中,一定有一颗年轻的、与爱因斯坦同样智慧的心在等待着被发掘,会是你吗?如果你是一位物理学家,你会怎样去面对现在相对论所面临的挑战?” 
  王淦昌站了起来,用手梳了一下头发:“畅谈一下自己本次冒险最大的收获吧!” 
  好,对于以上这些问题,我们都不要求一个确切的答案,你可以只是简单地想一下,甚至不想也行。最后,让我来问大家一个非常重要的问题吧。 
  还记得吗?旅途刚开始时,我让你们记下了当时对相对论的感觉。现在,你们来比较一下,你对相对论的了解比以前多了一点点吗? 
  如果答案是肯定的话,那我的初衷就算是基本达到了。 
  不管如何,现在冒险已经完全结束了。收拾好你们的行李吧!噢!呵呵!还要找科学家们签名是吧?那你快点…… 
  解散喽!拜拜……


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