聊聊狭义相对论-第25部分
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
图下畚侍庹馊问；６退愣杂诜桥芳负蔚牡庋某寤鳎惨谎荒芩蹬芳咐锏眉负伪旧硎怯形侍獾摹ＪР⒉幌裎锢硌д庋梢跃Ｍ品暗睦砺邸！�
可以说，数学和物理学都是建立在一系列的假设的基础上的。比方说，几何学的公设，就是它的基础，而也是人为地规定的，你可以通过规定不同的公设，严格地建立起不同的体系，它们是平权的，不能说我的就对，你的就错。在数学中，一旦有了基础，只要你之后的推理是符合逻辑的，没有互相矛盾的，那么这就算一个正确的、有效的体系了。
但物理学不同，它必须得符合客观世界！（例如，你假定光速对于任何人来说都是一个常数是吧？那如果这跟客观世界相悖了，那这个假设就得淘汰！）但我们理论的基础假设呢，却是由我们主观根据经验来确定的！这就可能有矛盾了！主观的不见得就一定和客观的相符！客观只有一个，而主观则会由于不同的人会出现不同！所以很有可能我们的假设是存在问题的！例如以太这样的假设，它是我们主观想象的。
而只要假设出现了差错，也就是基础出了问题，那么整个体系肯定就会有不对之处了！可能它是处于一个比较明显的位置，人们很快就发现了，于是这个理论便夭折。比方说，洛伦兹的假设。但也有可能它是隐藏在一个很小很小的角落里，因为它超出了当时人类的认知范围，所以人们在很长一段时间都没有注意到它，于是，这个理论就成为了那个时代的真理了。比如说绝对时空观。
从这个角度来说，老祖宗的“时势造英雄”是非常有道理的。人类的认知永远具有时代局限性。就算你在2007年发现了3007年的理论，但在它现今的时代也是无法生存的！因为人们根本就不屑一顾，它可能远远超过了我们的社会发展，从而我们根本就用不上！想象一下，在牛耕时代，你拿量子理论去跟他说会有什么作用呢？
除非你所有的出发点——假设是正确的，否则就不能成为一个绝对正确的理论！
但不幸的是，这样的几率太小了！我们人类有史以来都没有遇到过！当然，不排除以后会遇到的可能。
接下来，我将简单说说狭义相对论在假设方面所遇到的挑战。而对于它的那些结论、推理过程和逻辑结构方面的挑战，我就不说了，有兴趣的读者可以自己去了解一下。
我之所以要聊聊狭义相对论这方面的内容，目的是为了让大家明白这样一个道理——我们很难找到一个完美的理论，狭义相对论也存在着一些不太让人满意的地方，但在对那一个时代来说，它还是具有很大的积极性的。我们应该辨证地看待狭义相对论，推而广之，更要辨证地看待一切物理理论！
这也是我们应该具备的科学素养。
好，我们继续前进。
在狭义相对论中，沿用了牛顿力学关于“刚性量杆”服从欧几里得几何的假定。
欧几里得几何是我们熟悉的几何了。但是，前面我们也已经说过了非欧几何，事实上，只要改变欧几里得几何的第五条公设，我们是可以得到与之不同、却又同样是正确的新的几何体系，像黎曼几何就是其中的一种。为什么可以这样呢？因为虽然我们的基础（公设）不同了，但我们的逻辑推理过程一样是合法的！所以，这在数学上是平权的！也就是说，不仅仅只存在一种几何学，相反可以有很多种！
但在这里，你主观地选择了欧几里得几何！况且你又还没有知道究竟哪个几何才是真正合适的！凭感觉乱抓一个，这就有点说不过去了吧？！
打个比方说，你要从这里的A地去B地办点事情。而现在，连接A地总共就有10条道路，你在未知哪条路可以通向B地的情况下，你怎么可以说正东方向的那条就是行得通的呢？
是吧？
狭义相对论在这条假设上显得有些先入为主了。
再来看另外一个。
狭义相对性原理说到了惯性系的问题，但有点黑色幽默的是——
狭义相对论却无法解决惯性运动和惯性系的起源问题！
而光速不变原理也同样地遭遇了一些尴尬。
光速不变原理说：在所有的惯性系看来，真空的光速都是一个常数c。
这有实验证据支持吗？
没有！
所有的实验都只不过证明了双程光速如爱因斯坦所言，而从来都没有证实过单程的就是这样！
也就是说，所有的实验中，包括麦克尔孙…莫雷实验，光都是一来一回的！它从A处出发，到了B地就折回来，最终还是回到A处。这是双程的！双程的光速不变！
但是对于单程的呢？单是从A地到B地的呢？从来就没有实验证明过！
在这里，爱因斯坦假设了单程的光速也是不变的！
如果，这个假设跟客观现实有出入了，那狭义相对论就将面临着极其难堪的局面。
以上三个假设要素让我们感到狭义相对论的基础确实不太坚实。而且只要一有实验证实不是这样的话，那么狭义相对论的麻烦就接踵而来了。
除此之外，超光速问题也一直在试图揭开狭义相对论的伤疤，我们就来看看。
近年来，有关超光速（faster than light，Superluminal speed）的报道屡见不鲜，不断地冲击着我们的眼球。
1991年，意大利国家电磁波研究院的研究人员将一束微波通过波导管，发现随着波导管的加长，有一部分微波以超光速穿过了导管。
奥地利维也纳技工大学也在一实验中发现不管势垒有多厚，光子穿越其时间都是固定的，这就意味着超光速的存在。
2000年7月，美籍华裔、美国新泽西州NEC研究所的王利军在《自然》（Nature）杂志上发表了更加惊人的实验结果——利用铯原子气体的反常色散现象，可以使得激光脉冲群速度达到真空光速的310倍之多！
而通过利用洲际的甚长基线干涉测量（Very Long Baseline Interferometry；VLBI。这种射电干涉测量是1967年在加拿大和美国几乎同时实验成功的，而中国也在1981年11月27日至29日与西德成功进行了测量。），科学家在1977~1980年间观测到类星体3C273的射电喷流的切向速度竟然约相当于光速的10倍！而其他类似的射电源膨胀速度超过光速的例子也十分常见！
这一些惊人的实验不断地向狭义相对论发起了非难。
前面我们也已经说了，洛伦兹变换式里面的那个根式因子要求我们——所有物体的速度不得超过光速！而且，在后面的讨论中，我们也看了你要是想以光速驰骋天下的话，你必须付出代价——你的静止质量为零！就像光子那样！
但是，现在一大堆的事实摆在了面前——存在超光速！
“打倒狭义相对论！”“可以超过光速是我们每个人的权利！”“严正谴责狭义相对论的非法剥夺公民正当权利的行为！”……
口号都喊到家门口了！
看来难逃此劫了！万劫不复！
爱因斯坦永远都是那么的镇定自如，他拿开嘴里的烟斗，冷静地说——
其实，在狭义相对论里面，所要求的只不过是——信号的传递速度不可超过光速！也就是说，所有携带了信息的物质的运动速度必然不大于光速c！现在，我们必须把前面的认识再提高到这个层次，知道了吗？
事实上呀，这个世界还是有很多“超光速”的事物来的！比如一些声波的相速度就超过了光速，不过它却是没有负载信息的！而再例如一些物质波的相速度也是超过光速的，不过它也没有携带任何信息！而像上面的王利军的例子，那个激光脉冲群速度，甚至是光速的310倍，呵呵，它还是传递不了信息！所以说——
除了那个类星体的例子，上面这些所谓的超光速现象还是没有对狭义相对论构成任何威胁！因为，狭义相对论要求的是信息的传递速度绝对不可逾越光速！违者格杀勿论！其余不带信息的睁一只眼闭一只眼对待。
那，类星体的那个例子又该如何解释呢？
现在，天文学家已经比较认同了这种解释——视超光速运动。
为了可以更具有说服力地说明问题，我们跟随着天文学家的思路，实际来计算一下，看看是否行得通。
好，假设图中的O点就是一个类星体。现在，它喷出了一堆高速物质，这个喷流呢，就从O点出发，咄咄逼人地以速度v向着P点狂奔而去。而OQ呢，就是我们的视线方向，也就是说我们在地球是沿着这个角度去看类星体的。OQ和OP的夹角就设为θ吧。还有OP的长度为r，OQ长为x，而与OQ垂直的PQ长度则是y。
那么，很简单的是，在直角三角形中，有这样的结论，
x=rcosθ
y=rsinθ
那么喷流从O移动到P所花费的时间就是
t=r/v
想象一下，在O点发出的光线需要走过x的距离之后，再接着来到观测者眼中，而P点发出的光线（到达观测者）则会比O点的光线少走x那么长的距离。对吧？
好，那么在地球的你看来，喷流从O点走到P点所用的时间应该是
t’=t…x/c
因为你肯定是相信自己的眼睛的，那就是按照光进入你视野的时间差来算！O点的光线进入了你的眼睛之后，再过t’时间，P点的光线也来到了“眼前”（但实际上并不是，所以这是视时间）。
好，我们把x=rcosθ代入上式中，于是得到
t’=r/v…rcosθ/c
尝试提个r/v公因式出来，当然，这样做的目的是为了后面容易观察、处理，
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
