爱因斯坦的相对论及《星际穿越》

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Mia2014
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爱因斯坦的相对论及《星际穿越》

帖子 Mia2014 » 周日 3月 14, 2021 5:00 pm

狭义相对论的英文是:special relativity。广义相对论的英文是:general relativity。里面最颠倒三观的观点估计是速度加快,时间会变慢。只是知道这个,就可以基本上明白科幻电影《星际穿越》的理论基础了。同时,这个电影也勾起了观众对相对论的好奇。我看过电影,就又找来相对论的视频来看。

说到相对论,里面经常提到光速,说是,越接近光速,时间越慢,爱因斯坦称之为“time-dilation(时间膨胀)”。以光速运动时,时间是静止的。好像没说超光速了怎么样。好像光速是极限了,超过光速,是不是就可以时间倒流了。

在爱因斯坦时代,物理界受两个大师的理论影响,一个是牛顿(Isaac Newton),一个是麦克斯韦(James Clerk Maxwell)。

牛顿有一个万有引力定律,另外,牛顿认为物体的速度都是相对的。比如,两个火车相对行驶,一个火车速度相对地面是60公里/小时,另一个相对地面是20公里/小时,那么,前一个火车相对第二辆火车的速度是80公里/每小时。

同时,麦克斯韦的电磁学理论认为,光的速度是绝对的、恒定的。这两者就产生了矛盾。爱因斯坦在牛顿的理论里加入了时间随速度增加而变慢的理论,从而能让两者可以和谐起来。

在爱因斯坦的理论里,物质和能量是相同的,可以互相转化的。e = m x (cxc)。能量等于物质的重量乘以光速的平方。这个也是发现原子能的理论基础。这个应该是比较好理解的,也说明爱因斯坦真的是个天才。

另外,爱因斯坦又提出,空间和时间是相同的,是可以互相转换的。他开始提出这个观点时,提到的移动的物体都是直线、恒速的运动,这在现实中是不可能的,所以被称为狭义相对论。之后,他把它应用到现实中,解释宇宙中的现象,被称为广义相对论。

我们习惯认为我们是生活在3维空间的,即使再加一个维度:时间,成为4维空间,往往会认为时间是以恒定的速度一直往前不回头的。爱因斯坦的“时空”里,时间和空间都是”弯曲的(warped)”。

科学家们用“蹦床”来解释广义相对论,一个球放在“蹦床”上,“蹦床”拉伸下沉,“蹦床”的边沿上的东西都往下滑落,越往下,速度越大,时间越慢,被称为“时间膨胀(time dilation)”。这个“蹦床”就是物体所处的“时空(spacetime)”,想象一下,那种向下滑的力是占满时空的,牛顿称为“gravity(重力)”的,空间上的每一个点都在某个”蹦床”的边沿上往下滑。牛顿认为“重力”是来自地球往下拉的力量,爱因斯坦认为“重力”是来自“时空”向下推的力量。

爱因斯坦要证明他的广义相对论,就想到了根据相对论会造成的一个现象:比如,一个星球其实在太阳后面,光线从地面经过太阳时,由于“重力”作用,发生弯曲,到达太阳背后的星球,然后同样的路线反射回来,而我们以为光线一直是直线的,于是就以为看到的星球在太阳旁边。这里的“重力”就来自空间是“弯曲”的。要观察到太阳旁边的星球,需要日食时才可能,于是,相关的科学工作者就世界各地去拍日食的相片,来证明爱因斯坦的广义相对论是对还是错。

在太空里,由于“重力”作用,比如黑洞,据说是超级重的物质组成,“重力”大的光进去都出不来,光发生的扭曲有时候就不能够忽略不计了。也许光弯到我们脚底下的某个物体又划个弧反射回来,我们以为物体是在正前方。这就有了《星际穿越》里提到的“虫洞”,就是一条直线捷径。就像一个苹果,不从苹果表面的另一端,而是像虫一样打个洞穿过去。

在《星际穿越》里,Cooper他们到达了黑洞附近的一个星球,受到的黑洞重力作用如此之大,速度大到那里一个小时,地球上是7年。

总之,越重的物体使其他的物体受到的“重力”越大,重力(gravitation/gravity)产生速度,速度越快,时间越慢。

注:我的关于"狭义相对论"的研究成果,入门级的,这个级别看相关的科幻电影可以看明白。

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