馬海飛
愛因斯坦的相對論問世已經(jīng)有100多年了。但至今為止幾乎沒有人能夠完全理解它。至少，這個理論不像牛頓的理論那么簡單易懂。為什么它那么難懂？難道相對論真的深奧到如此神奇，以至于到了讓人無法理解的地步？我想就此問題給出一個答案。
我們知道，伽利略也有個相對論。根據(jù)伽利略相對論，我們可以這樣來描述物體之間的相對運(yùn)動：張三坐在一輛行駛中的車上。李四站立在地上。張三和李四都認(rèn)為自己靜止不動。因?yàn)閺埲粍?。李四站立不動。他們的確都不動。從能量消耗上看，兩個人都不消耗體力。所以，說他們靜止不動也沒有錯。但是，張三與李四之間卻存在一個相對距離的改變，也就是“運(yùn)動”。于是，張三說“是李四在運(yùn)動”，而李四說“是張三在運(yùn)動”。到底是誰在運(yùn)動呢？這就是伽利略說的相對運(yùn)動。
但是，在這種情況，如果不規(guī)定一個絕對空間參照物的話，張三與李四之間的爭論是不可能有結(jié)果的。也就是說，只要在不存在“絕對”的前提下，僅僅以“相對”為前提來觀察物理現(xiàn)象和討論問題的話，永遠(yuǎn)也不可能說出誰對誰錯來。
事實(shí)上，在這個場景中，明擺著是張三隨著他坐的車在運(yùn)動，而李四才是靜止的。那么，是什么原因把這么簡單的問題給復(fù)雜化了？就是“相對性原理”。相對性原理其實(shí)本質(zhì)上是一種數(shù)學(xué)原理，也就是說，它是一種描述物體之間在數(shù)量上的相互關(guān)系的原理，而不是物理學(xué)原理。物理學(xué)原理一定要有物理機(jī)制為基礎(chǔ)才可以。從物理機(jī)制上解釋的話，張三就是運(yùn)動的。因?yàn)閺埲能囋谶\(yùn)動。運(yùn)動就有能量，有能量就有可能撞到人。如果張三坐的車撞到了站在地上的李四，可能除了一些物理學(xué)家以外，絕對不會有人用相對性原理來把這個事故解釋成是因?yàn)槔钏淖觥跋鄬\(yùn)動”而撞到了“相對靜止”的車上的。因?yàn)槔钏恼玖⒃谀抢?，沒有任何動量，根本就不可能撞到任何東西。所以，物理學(xué)原理與數(shù)學(xué)原理是不同的。一旦無視物理機(jī)制，僅僅依靠數(shù)學(xué)，就有可能把簡單的事情給復(fù)雜化了。
那么，愛因斯坦的相對論與上面的例子有什么關(guān)系呢？其實(shí)很有關(guān)系。愛因斯坦就好比是那個坐在車上的張三。而牛頓就好比是站在地上的李四。只不過，愛因斯坦乘坐的不是普通的車，而是一個“光速火箭”。因此，愛因斯坦與光速之間是相對靜止的。所以，在愛因斯坦的眼里，除了光速不變以外，其他的所有一切都是可以變化的。在這個前提下，他使用以數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)的“相對性原理”來解釋所有的物理現(xiàn)象就形成了他獨(dú)特的相對論。結(jié)果，這個理論就得出了包括“物體的質(zhì)量”，“時間”和“尺子的長短”都可以改變的結(jié)論。于是，讓那些與牛頓一起站在地上的人感到無論如何都無法理解。因?yàn)榕ｎD使用的是絕對的時間和空間，質(zhì)量和時間與尺子都是不能改變的。
現(xiàn)實(shí)中張三與李四之間的相對關(guān)系比較容易搞清楚，那是因?yàn)閺埲能囁傧鄬馑俣砸枚?。因此，除了?shù)學(xué)計(jì)算之外，也可以進(jìn)行實(shí)地測量。然而，光速是無法實(shí)地測量的，所以，只能靠運(yùn)算。而運(yùn)算的結(jié)果可以是“相對正確”的。所以，崇拜數(shù)學(xué)人就相信數(shù)學(xué)結(jié)果了，也就相信相對論了。關(guān)于“相對正確”的問題可以從自由落體速度的計(jì)算公式中得到清楚的解釋：v=gt（自由落體速度＝重力加速度x時間）。 如果我們像愛因斯坦規(guī)定光速不變那樣規(guī)定g是一個不變的常數(shù)，就會得到：t=v/g。因?yàn)?/span>g不變，所以，時間t就會隨著v在地球與月球上的不同而變化。于是就會得出“時間是可以膨脹或收縮的”結(jié)論。這種做法并不影響數(shù)學(xué)運(yùn)算結(jié)果。而這樣得出來的結(jié)果是數(shù)學(xué)“相對正確”的，而不是物理學(xué)正確的。
在科學(xué)史上有過一段“地心說”的時期，人們以地球?yàn)橹行膮⒄瘴飦砻枋鎏栂怠Ｆ鋵?shí)，這種做法并非不可行。今天，借助于計(jì)算機(jī)，人們完全可以以地球?yàn)椤跋鄬χ行摹庇?jì)算出太陽系中其他星體的運(yùn)行軌道。也可以得到數(shù)學(xué)上的相對正確結(jié)果。但是，這樣繞大圈子得到的“相對正確”結(jié)果一定比直接以太陽為中心所得到的結(jié)果復(fù)雜多得多。愛因斯坦相對論的道理是一樣的。相對論之所以那么難懂，就是因?yàn)樗x擇了光速為參照物，結(jié)果就把原本簡單的自然現(xiàn)象通過數(shù)學(xué)給復(fù)雜化了。
現(xiàn)代物理學(xué)建立在愛因斯坦的理論基礎(chǔ)之上。物理學(xué)家們就好像乘坐在愛因斯坦的光速火箭上一樣。他們根據(jù)在火箭上看到的現(xiàn)象（錯覺）和相對正確的運(yùn)算結(jié)果來建立新的物理學(xué)理論。結(jié)果，表面看上去那些理論似乎有些道理，而且計(jì)算結(jié)果也“正確”，但卻讓站在地上的人難以理解。所以，愛因斯坦的相對論不是因?yàn)槔碚摰纳願W而難懂，而是因?yàn)樵凇袄@圈子”或“本末倒置”的原因讓人難以理解。
有朝一日，當(dāng)物理學(xué)家們從愛因斯坦的光速火箭上下來，站到地上的時候就會發(fā)現(xiàn)，原來自然現(xiàn)象竟然是如此簡單。物理學(xué)理論竟然繞了那么大的一個圈子。
聯(lián)系客服
