之前我们做了一期,关于天鹅座万年前“来信”的视频,很多同学貌似没看懂,评论里也有很多问,这个“来信”到底说了什么,其实我们在视频开头就已经解释了,这个来自天鹅座的“信”,就是宇宙射线。宇宙射线是由各种各样的粒子组成,也会有一些基本的元素。
科学家之所以把它比作是“来信”,就是因为这信里确确实实含有很多古老恒星、遥远星系的“信息”。不过这些信息都是各种各样的粒子,经过分析这些粒子,我们就能知道,这些离我们几万、几十万、甚至几百万光年的星系,它是由什么构成。
以前,人类只能靠光学望远镜在那远远的看这些天体,通过光线去分析这些星系里面有什么,这种靠看的,近了还好,远了就成这样了!(放星系放大成马赛克)
但直到人类发现地球上到处都是宇宙射线时,这一局面就被改变了,人类可以通过研究这些地球上的粒子,来分析遥远星系中存在哪些物质。能直接探测到,并且是实实在在存在的东西,这就比看马赛克强的太多了。
这些粒子来到地球上其实也不容易,它们首先会被“宇宙加速器”加速到接近光速,宇宙加速器听起来有些科幻,其实就是宇宙中一些高能量的天体,不瞒你说,这也是天文学家推测的,目前的说法是,太阳耀斑时也能释放粒子,但一些超高能量的粒子,来自宇宙中亮度较高的地方,就比如超新星爆发,超大质量恒星,黑洞等等!
这些被加速到接近光速的 “高能粒子”,由于自身带电,所以会被宇宙中的各种磁场所影响,拐了不知道多少个弯,最后才落到地球上,所以,直接通过宇宙射线我们是不可能找到这些粒子的源头。不过,这些高能粒子在发源地的时候,会产生伽马射线,伽马射线的传播路径是直线,然后科学家可以通过观测宇宙中的伽马射线,就能判断这些宇宙射线的来自哪些遥远的星系。
我相信到这里,各位同学应该就能明白,为什么科学家要把宇宙射线比作是“来信”,其实跟外星文明没有半点关系,之所以我又把这件事情拿出再来讲一遍,是因为我发现很多博主,竟然能把这事跟外星人联系到一起,并且播放量还特别高(这里加个周星驰的,一个字、绝!),还有就是因为之前我们的视频也没有讲的特别清楚,让很多同学看到最后,也没明白个所以然,所以我们这期视频的开头,稍微花点时间来复习一遍。
大家好,我是一号,咱们这期视频正式开始,我们来聊聊光和相对论!
相对论是个非常神奇的理论,即使我们明白它讲的是什么,但其实还是很难接受。这就跟量子力学很像,虽然它们说的都是对的,甚至各种物理学大牛也通过各种实验验证了,但你还是很难想象,我和你的时间可以不一样,空间长度也可以被改变!甚至在微观世界中,意识可以决定结果!
相对论中,有个非常让人难以理解的定律,就是速度越快、时间越慢、尺度越短!在我们之前的视频中有提到过原子钟的实验,就是在飞机和地面上各放置一个同样精度的原子钟,结果飞机上的那个原子钟确实变慢了。但其实飞机的速度对比光速,还是太慢了,即使飞机上的原子钟速度变慢了,数值也是非常非常小的。
不过,随着人类对于宇宙射线的研究,发现了一种叫做μ子的基本粒子,这个粒子的平均寿命只有2.2微秒,速度是光速的0.9997倍,很明显,它这一辈子,就算按照经典物理学计算,它顶多也就能移动660米,当然实际其实只有456米(2.197 μs × ln(2) × 0.9997 × c)。通过观测,绝大多数μ子都是在距离地面15公里处的高空产生的,按照它这辈子660米的长跑距离计算的话,完全不可能到达地面。但事实是,在地表上每平方米、每分钟就有1000个μ子经过,并且这东西不仅到了地面,而且穿透到了地下!
根据经典力学原理,这是行不通的,660米不可能扩展成15公里!但根据狭义相对论,速度越快、时间越慢原理。2.2微秒只是μ子的静止寿命,如果把地面上的观察者作为参考系,μ子2.2微秒的一辈子会被拉长很多,也就是它的真实时间要远比2.2微秒长,所以它们才能在衰变结束前到达地面,甚至地下!如果换一个角度,把μ子当做参考系,它们的平均寿命还是2.2微秒,但它他们以0.9997倍的光速撞向地面时,狭义相对论又可以解释了,速度越快,尺度越短!原本15公里的长跑,现在压缩成了660米的短跑了,所以μ子能够成功抵达地面。
因为速度越快,时间膨胀效应才越明显,人类的速度目前来说,还是太慢了,就算在空间站呆的最久的宇航员,其实也就比地球上的人慢了0.02秒,μ子之所以能把15公里变成660米,就是因为它速度太快了,再稍微快点就赶上光速了。但爱因斯坦说了,光速是我们这个宇宙中所有物质运动、信息传播的上限,粒子就是粒子,它只要有静止质量,它就永远不可能达到光速,这事人类其实早就证实了,科学家通过粒子对撞机把带电粒子加速到十分接近光速,眼看就快要达到光速,再补充一点能量之后,速度只增加了一点点,那多余的能量去哪了,这就又得提到爱因斯坦了,E=MC2,能量和质量可以相互转化,虽然粒子速度推不上去,但粒子质量增加了,能量没法给粒子加速之后,都转换成质量了,即使再有非常大的能量进去,粒子只能无限接近光速,多余的能量都会转换成质量,速度是始终无法达到光速。
这里我想说一下,之前视频中的子弹思想实验,当你向目标射击时,第二颗子弹速度是以光速射向目标。如果子弹达到了光速,它就不可能是子弹,它也已经不再具有时间意义,没有时间,就没有因、也没有果,也可以说是因、也是果,它们定格在一个时间刻度上。怎么去理解呢,就好像光一样,即使你明白光是有速度的,但在人类的感知层面上,光就是和你同步的,我们身边无时无刻没有光的存在,不管是灯光、太阳光,都是以光速到我们眼睛里!
相对论中,最主要的一个前提就是,光速不变!这个东西其实很难理解,你可以想象一下,任何时候,光速都是30万公里/秒的速度,即使你达到光速,那光还是以光速在远离你。而我们的认知中,这时候应该是我和光保持相对静止的,就是说我应该看着这个光是静止的,但不行,光就是保持光速不变的,并且还没有加速度,一上来就是30万公里/秒,这怎么想,都觉得这个光是在耍流氓!
光速不变虽然是爱因斯坦提出来的,但其实在这之前,人类研究光已经研究了好几个世纪了。从亚里士多德提出以太说开始,人们就认为,以太是一种存在虚无空间中的这么一种介质,你想声波需要空气、水这些介质才能传播,那光可能也需要介质传播,这个介质就是以太!以太和空气一样,都是看不见摸不着的,但我们应该可以通过相对运动感受到它的”存在“,就比如,在空气中跑,你可以感受到风的存在,那么相对以太运动,是不是也能感受到”以太风“呢?物理学家就按照这个思路,开始找以太存在的证据,但是大前提是,几乎所有的人都认为,以太是真实存在的,这其实在早期物理学界是个公认的事实,就看谁能最终找到以太存在的证据了,那ta就是新的物理学领军人物!
抱着这种美好的愿景,各个智商爆棚的物理学家摩拳擦掌,势要一比高下,用实验证明以太的存在!
光行差
这是一个比较重要的原理,理解起来也很容易!假如你在一个绝对无风的雨天环境中,你静止不动,所有的雨滴都会从你的正上方落下,但如果你以一定速度在雨中跑,就会感觉雨滴是从你的前上方倾斜打在你身上。还有就是在坐船的时候,如果船以一定速度往南开,风以一定速度往东吹,那么船上的旗子就会朝向西北方向。
那么光也是一样的,在地球上我们观测遥远的星星,如果地球不动,我们只需要对着那颗星星就行,但是地球一直都是在运动的,以大约30公里/秒的速度围绕太阳转,所以在地球上观测星星时,星星发出的光线也是会倾斜一定的角度,这就是光行差!然后只需要知道地球在公转时会产生多大的倾斜角,就可以算出来光速是多少,最终得到的数值就是30万公里/秒!这在早期的观测实验中,其实已经算上比较精确的光速数值了。
这个现象的早期解释,也是离不开”以太“,有物理学家解释说,就是因为地球相对以太在运动,以太风把光线给吹弯了,但这还只是猜想,不能作为证据!
阿拉果的实验
既然地球是相对以太运动,那必然是有一个方向的,所以只需要以不同的角度去验证以太对光的影响,就能证明以太的存在。阿拉果的想法很正确,但实验结果很苦恼!它利用光线折射原理,把光对着玻璃照,然后用不同角度去测量光的折射率,如果地球相对于以一个方向运动,也必然会影响光线的运动,如果不同角度的光射入玻璃的折射率发生改变,那以太就是存在的!但结果是,各个角度的折射率都一样,这下阿拉果就懵了,难道自己实验有问题?不懂就问,阿拉果开始寻求大佬的支持,这位大佬脑筋比较清奇、想法比较灵活,他就是菲涅尔。菲涅尔认为,实验没有错,只是以太会在玻璃中运动,正好把需要改变折射率给抵消了。阿拉果一看,果然是大佬,大佬这一点化,自己就信了!
但是,阿拉果这个实验,还不足以说明太多问题!
斐索流水实验
既然菲涅尔说以太会在玻璃中抵消折射率,那么换成流动的液体试试呢?阿曼德?斐索在1851年设计了一个更为精妙的实验,这个实验就是一束光分成平行的两束,然后一个通过顺流的水,一个通过逆流的水,看看这两束光的速度到底一不一样。你猜怎么着,这个实验结果竟然跟菲涅尔的计算结果接近!光线确实被水流影响了,大佬这次蒙对了,一时名声大噪!
迈克逊莫雷实验
迈克尔逊莫实验也很简单,大佬菲涅尔说,以太在真空中是静止的,所以只要我们在以太中穿梭,就能够感受到以太风,那既然有结论了,实验就很好做!假设地球相对以太,以速度V向右运动,那么我向右发射一道光线,光线的速度就是C V,那么反射回来的光线速度就是C-V,还是一样的,尝试不同方向,看看光速有没有变化!但这次不一样的是,迈克尔逊莫雷实验更加精密,有更加精密的干涉仪。本来他们猜测,不同角度的光线会被以太影响,会让实验数据有个亿分之一的时间差,但结果却是,不管从哪个方向射出光线,它们的传播速度都是一致的!
这让迈克尔逊和莫雷大失所望,因为他们觉得自己的实验肯定有问题,结果不应该是这样!于是他们反复实验,结果还是一样,光速始终没有变化!不仅他 们是一脸问号,当时的物理学界更是一脸问号。
这时候,电磁学大牛洛伦兹坐不住了,要知道,洛伦兹坐C位的时候,爱因斯坦还是站着的。
洛伦兹分析了一番,既然光速变了,时间没有变,那只能是距离变小了!他认为,应该是仪器分子间的作用力受到了以太的影响,以太在运动时,会改变分子间的距离,这就是长度收缩假说。
但即便是坐C位的洛伦兹,依然没有考虑以太存不存在的问题!即使实验结果已经预示着,光速不变、以太不存在的结果,但当时的物理学家,都没有选择挑战这一根深蒂固的公知!
爱因斯坦
提出狭义相对论时,爱因斯坦也就20多岁,初生牛犊不怕虎,爱因斯坦这一杠,直接杠翻了整个物理学界!狭义相对论有两个基本条件,一是光速不变,二是相对性!以前牛顿说,这个世界存在绝对空间,牛顿在当年,可是物理学的第一人,这个无可否认,他所说的,基本上没有人能提出质疑!年轻的爱因斯坦哪管这些,他喜欢做的事情,就是假设别人都是错的,那我反推一下试试看呢?
这不,光速不变,以太不存在,这就很好的解释了迈克尔逊莫雷实验!并且他提出相对性原理,也挑战了牛顿的绝对空间!
爱因斯坦是一个理论物理学家,他的理论基本都是靠前人的实验结果,加上自己的头脑风暴得来的,但最恐怖的是,他几乎所有的预言,都被后来人一一证实!
致密天体、引力波、引力透镜等等,我们之前有做过一期,关于爱因斯坦被证实的10大预言,感兴趣的同学可以看一下!
其实爱因斯坦不光是挑战了整个物理学界,更是颠覆了整个人类的认知!在这之前,甚至是现代社会,我们的主管感受,很多东西都还是绝对的,比如说,我知道明天几点的太阳会升起来,我知道多久之后会天黑、多久之后会天亮!这些客观存在的东西,都符合我们的想象和预期!
相对论是啥?速度快了,时间会变慢!引力太大,会扭曲时空!你达到光速,光也会以光速远离你!
你可以试着想象一下,如果按照爱因斯坦的说法,光好像并不是一种客观存在的东西,它更像是我们主观感受的存在。这其实和量子力学又有点类似,人的主动介入,可以影响事件的结果!而光也是一样,爱因斯坦说过,在光速运动下,时间将不复存在,我们很难想象,在我们这个四维时空,如果把时间去掉会是什么样?
那么如何去掉时间,也就是让时间停止呢?其实只有一个办法,“关灯”!
我是一号,带你探索宇宙!
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