什么是相对论(狭义篇)

作者简介

长尾君，原名张文，2018年5月开始以“长尾科技”之名在公众号上发表相对论的科普文章。此后，秉着“想学什么就尝试去科普什么，只有给人讲清楚了，才算学明白了”的费曼式学习态度，在“以科普促学习”的道路上越走越远。长尾君重点关注物理、数学、哲学以及中小学生的科学教育，坚持以极为通俗的语言和缜密的逻辑把复杂的科学问题说清楚，希望更多人能感受到科学的美丽。已出版畅销书《什么是高中物理》。

内容简介

为了给狭义相对论作铺 垫，我先给大家介绍了麦克 斯韦方程组。为了让中小学 生能更好理解麦克斯韦方程 组，我又写了微积分，现在 终于可以正式谈一谈狭义相 对论了。 为什么讲狭义相对论要 先讲电磁理论呢？ 爱因斯坦发表狭义相对 论的论文叫《论动体的电动 力学》，一般电动力学教材 的最后一章也会讲狭义相对 论。这一来一去，你就知道 它们的关系不一般了。 那这跟牛顿又有什么关 系呢？ 牛顿建立了上知天文下 知地理的力学体系，日月星 辰、潮起潮落都遵循他的定 律，这是第一次工业革命的 基石；麦克斯韦方程组则包 含了一切经典电磁学的东西 ，他还发现了电磁波，这是 第二次工业革命的基础。 牛顿和麦克斯韦的理论 在各自领域都获得了巨大的 成功，是经典物理学的两座 丰碑。但是，如果你试图把 它们融合在一起，用统一的 目光看待它们，立即就会出 现不可调和的矛盾。 为了解决这些矛盾，爱 因斯坦进行了艰苦卓绝的探 索，并最终创立了狭义相对 论。 这种情境，很像现在的 广义相对论和量子力学。 当我们使用广义相对论 处理引力问题，处理恒星和 宇宙的演化时非常好用（可 以忽略量子效应），当我们 使用量子力学处理电磁力、 强力、弱力的问题时也非常 好用（引力太弱，可以忽略 ）。 但是，当我们碰到那些 又重又小的东西（比如黑洞 和宇宙初期），无法忽略引 力和量子效应中的任何一个 的时候，就必须结合广义相 对论和量子力学，这一结合 就出大问题了。 广义相对论和量子力学 的不兼容是当今物理学一等 一的大事，这种情况跟百年 前牛顿力学与麦克斯韦电磁 学的不兼容很相似。两种理 论能够在各自领域工作良好 ，就证明它们至少包含了某 种正确性，而一结合就出问 题，说明我们还是忽略了某 些关键的东西。 那么，牛顿力学和麦克 斯韦电磁学之间的矛盾是什 么？为什么它们无法兼容？ 有什么关键的东西被忽略了 ，爱因斯坦又是如何发现的 ？为什么是年轻的爱因斯坦 先发现了这个，其他物理学 家却总是差那么一点？ 类似地，广义相对论和 量子力学之间的矛盾是什么 ？它们之间被忽略的关键东 西又是什么？爱因斯坦统一 牛顿力学和麦克斯韦电磁学 的工作对我们统一广义相对 论和量子力学又有什么启发 ？ 学习历史是为了更好把 握未来，科学也一样。在这 本书里，我会尽力把历史说 清楚，现在和未来的问题， 就交给你来慢慢琢磨了。 好，下面进入正题。 01 日心说的困境 为了让大家更清楚地了 解牛顿和麦克斯韦这两位泰 斗的战争，我们先把时间往 前推2000年。没错，又来 到了古希腊时期。 提到日心说，绝大部分 人立即就会想到哥白尼，甚 至直接把日心说和哥白尼画 上等号。但是，如果你去翻 翻历史，就会发现早在公元 前3世纪，一个叫阿利斯塔 克的人就提出了日心说，这 比哥白尼早了足足1800年 。 阿利斯塔克是古希腊著 名的天文学家，他用数学计 算出太阳的半径比地球的大 很多（虽然不够精确），所 以，他认为是太阳在宇宙中 心，地球围绕着太阳转，地 球自转一圈为一天，地球围 绕着太阳公转一圈为一年。 这是一个很强的论证， 如果太阳真的比地球大很多 ，我们当然更倾向于认为是 “小地球”围绕着“大太阳”转 。此外，他还发明了一些方 法去测量太阳、月亮和地球 之间距离的比值。 虽然受限于条件，他当 时没法测得很准，但是随着 时间的推移，这些数据肯定 是会越来越精确的，那得到 的结果也应该越来越支持阿 利斯塔克的日心说。 但是，后面的结果我们 都知道了。400多年后，伟 大的天文学家托勒密在构建 他的天文体系时采用的是地 心说，而不是日心说，为什 么？ 先不谈宗教的事，托勒 密作为一位杰出的科学家， 他为什么最终选择了地心说 ，而不是看起来很合理的日 心说呢？ 具体的原因有很多，但 其中有一个影响非常大，绝 对不能忽视，甚至可以说是 击中了当时日心说死穴的原 因：如果地球真的在高速转 动，那为什么我们跳起来后 会落回原地，而没有被甩出 去？ 为什么天上的云不会被 吹向一边？ 这个问题放到现在当然 很简单，一个初中生都可以 自豪地甩出“惯性”送给你。 但是在当时，或者说在伽利 略以前，这的确是巨大的科 学难题。 当我们在说惯性的时候 ，我们其实已经默认了伽利 略一牛顿的运动观，认为“ 力是改变物体运动的原因， 而不是维持运动的原因”。 但伽利略之前的人并不知道 这些，他们认为运动是需要 力来维持的。你跳起来之后 没有力了，但是依然能落回 原地，那就只能认为地球是 静止的。 于是，托勒密就理所当 然地拒绝了日心说。 P2-5 写相对论的书很多，为啥强烈推荐长尾君的这本《什么是相对论》呢？ 1、长尾君是从初学者的角度，追根溯源，抽丝剥茧，重现当年爱因斯坦发现相对论的过程，一步步推导展示给你看，是让你从根上明白相对论到底是怎么回事！ 2、轻松、幽默、接地气一向是长尾君的行文风格，这本《什么是相对论》也不例外，高深莫测的理论，复杂多变的应用，长尾君通过巧妙的类比让其平易近人，令人读起来极度舒适！ 3、费曼学习法让人更容易变成学霸，长尾君即是通过费曼学习法把相对论“啃”下来，这本《什么是相对论》就是他学习的结果，从中你能体会费曼学习法的厉害之处，想成为“学霸”的中小学生读者不妨也读读。 长尾君一向是惜墨如金，他的输出是精益求精，一出手必是精品！去读就是了，相信书没读完，你就会变成他的粉丝。