聊聊狭义相对论-第18章

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　　所以，我们到现在都还没有掌握在第四维度——时间上自由走动的方法！要是真的实现了，那就成为时间旅行了！呵呵！你在2007年把他关进了监狱，那我带他在时间维度上走动一下，去到2000年，那时候你的监狱都还没有建成，这样我就成功带他逃离监狱啦！　
　　再来看“超正方体”。二维的正方形沿着z轴方向移动一段距离，就会成为我们的正方体！同样道理，我们的正方体在时间维度上移动一段日子，也就成为“超正方体”了！　
　　看一下，正方体从2006年出发，随着时间的推移，来到了2007年。它的轨迹就是“超正方体”！我们来看一下，从这个角度出发，算得的点、棱、面的个数是多少。出发处（也就是2006年的那个时刻）有8个顶点，终点处（2007年的那个时刻）又有8个顶点，所以一共是16个顶点！棱呢？出发处有12条，终点处又有12条，移动过程中，每个顶点又“划”出一条棱，所以最后是12＋12＋8=32条！对于面，出发时6个，到达时6个，中途每条棱又“划”成一个面，所以是6＋6＋12=24个！　
　　跟前面得到的数据一模一样！　
　　是的，第四维就是时间！　
　　从这个角度出发，你可以更加容易理解四维世界！你1岁时，拍一张三维的照片；2岁时再拍一张；之后每一岁都拍一张，一直到现在。然后，把这些照片按时间顺序排列起来，就有点四维世界的味道了！　
　　通过这些讨论，也许你会对四维时空有了更深一点的认识。　
　　但是，时间旅行依旧还没有实现。而关于一些时间旅行的理论上可行的方法，那涉及到广义相对论的问题，在这里就不越俎代庖了，就此打住吧。　
　　好，关于狭义相对论的一些怪异的结论，我就说到这里。　
　　现在，让我们回头来看一下，我们一路风雨兼程地走来，究竟翻过了多少崇山峻岭，渡过了多少艰难险阻。我们的理论结构是怎样的呢？


回首一瞥，这一路确实不容易呀！　
　　我们从两条原理——狭义相对性原理和光速不变原理出发，先是通过数学推导出洛伦兹变换式，并且还对它进行了一些讨论。接着，把洛伦兹变换式作为新的起点，先说了狭义相对论时空观的问题，包括同时性的相对性呀、时间膨胀呀、长度收缩呀，还有新的速度变换式。然后我们又了解狭义相对论力学的相关内容，质速关系式是我们的第一站，之后在此基础上讨论了相对论力学的基本方程，然后来到那条扬名四海的E=mc2公式，再是更加普遍的E2=m02c4＋p2c2，并且还对它进行了讨论，得到了光子的预言。最后，我们领略了有关因果律和闵可夫斯基四维时空的问题。　
　　想一下，这一切都是从那两条简洁的原理中孕育，并“生长”起来的。把这种结构比喻成一个倒金字塔就再合适不过了。　
　　从一点出发，逐步演绎出整一个逻辑体系。　
　　源于欧几里得，成就爱因斯坦。　
　　源于几何学，成就相对论。　
　　这样一来，我们可以用一个图表来总结这个“倒金字塔式”的理论结构。　
　　（请看图片）　
　　这就大体是我们的理论结构了。　
　　不过，我们的冒险旅程可还没有结束，还有挺长的路呢！大家打起精神，接着往下走！


　为了帮助大家复习一下狭义相对论的奇谈怪论，接下来将带大家来到爱因斯坦大球场去观看一场相对论世界的足球赛。请注意，这里所有的规则都源于狭义相对论，而不是经典力学，也不是广义相对论，更不是量子力学……　
　　好，已经买好门票了，进去吧……　
　　我们先来看看对阵双方的11人大名单。　
　　经典物理学明星队（4321阵形）：　
　　前锋：25牛顿（队长）　
　　前腰：14第谷　27开普勒　
　　中场：17布鲁诺　19哥白尼　14惠更斯　
　　后卫：15伽利略　13麦克斯韦　31笛卡儿　20玻尔兹曼　
　　门将：18胡克　
　　20世纪物理学明星队（442阵形）：　
　　前锋：14爱因斯坦（队长）　23普朗克　
　　中场：13洛伦兹　29庞加莱　12薛定谔　5海森堡　
　　后卫：8霍金　15德布罗意　19麦克尔孙　28王淦昌　
　　门将：7玻尔　
　　（以上球衣号码均取自各物理学家的出生日期，如爱因斯坦生于1879年3月14日，所以取为14号。唯一例外的是，由于没有布鲁诺的生日，只好选择了他的忌日。而惠更斯的和第谷的出现重复，不过在这里不要紧吧。）　
　　我们来评价一下双方的阵容。　
　　首先是经典物理学明星队。牛顿作为经典物理学教皇级人物，恐怕没有人敢表示异议，所以作为队长是实至名归，毋庸置疑。而一位如此厉害的强人担当前锋职位，确实令该队极具杀伤力。而第谷和开普勒师生搭配担任前腰，肯定会为我们带来精彩绝伦的配合。中场由“地心说”门派掌柜和波动师祖看守，绝对不可忽视。经典物理学明星队的后卫可谓人才济济，雍容华贵。伽利略，近代科学之父，光是名称就已威震八方，看你还怎么进攻射门！麦克斯韦，上帝诗篇的缔造者，人们永远不会忘记他曾经那四脚诗歌般的方程式解围！笛卡儿，脚踏物理学和数学两个王国的土地！玻尔兹曼，热力学中熵公式的发现者，具有极好的防守能力。而门将胡克，曾经担任皇家学会会长，双手灵巧敏捷，制造了很多器械，包括显微镜，这样的巧手天才把守大门，相信是滴水不漏！　
　　再来看看20世纪物理学明星队。这支队伍天才的球员极多，本次出征主要挑选了状态较佳的队员前来，不用看别的，光是去瞧瞧替补席，就足以让你大跌眼镜！队长爱因斯坦与量子鼻祖普朗克携手出击，20实际两大物理支柱的掌门人联袂演绎，没有理由不杀个天崩地裂，试问有谁能挡？洛伦兹和庞加莱虽然思想不太跟得上队长的步伐，但就算不是“革命派”，也归于“维新派”吧，人们不会忘记曾经他们距离登顶只有一步之遥，相信今朝可以一洗前辱，成就神话。而中场另有量子力学的两大精英薛定谔和海森堡坐镇，一个是波动方程的书写者，一个是矩阵力学的开拓者，势必会上演一场绿茵好戏。而后卫阵容一样毫无逊色，霍金，伤愈复出，人们绝对不会忘记他的黑洞防守，来者皆破，一夫当关，万夫莫开呀！德布罗意，天才少年，曾经受到爱因斯坦的嘉奖，小小年纪早已闯出一片天地，别具一格的波粒二象性防守，是人都吃不消！麦克尔孙，洒下了当年那场摧枯拉朽的革命的种子，不折不扣的破坏者，特别令经典物理学的队员头疼！王淦昌，来自东方的核物理学家，反∑超子的发现者，在前面的旅途中也被提过，近来状态极佳。（作为一篇用中文写成的文章，作为一个中国的作者，执意要让一个龙的传人在这样一个大舞台亮相，恐怕不算过分吧？也希望若干年后，真的有一位同胞成为这样一支队伍的队长！）玻尔，量子力学的教父，哥本哈根的领袖，从小喜欢足球，一直担任门将的角色，肯定不会让我们失望！　
　　双方队员在球童的陪伴下，徐徐进入球场。　
　　爱因斯坦手里拿着锦旗，望向远方，大有处世不惊之状。牛顿伸手弄了一下自己的长头发，脸上显得很平静。玻尔不愧是历经沙场的老将，杀气重重。胡克用力拍了拍手掌，脸上闪过一丝微笑。霍金从轮椅上站起来，很就没有踏在绿茵场地上了，抑制不住的兴奋油然而生，蹦蹦跳跳。布鲁诺给我们的永远是那种视死如归的神情。和一帮巨星一起，王淦昌难免会有些紧张，但又流露出了那种小孩子般兴奋的笑容……　
　　一场没有硝烟的战争即将拉开帷幕。　
　　风起云涌，气势如虹。　
　　鹿死谁手？拭目以待。


　裁判是来自古希腊的数学家欧几里得。这位仁兄，据说生平不详，只为这个世界留下了一本书和两句话。这本书就是名垂青史的《几何原本》，而那两句话呢，分别为——　
　　“在这里，皇帝没有特权！”　
　　“请给这个小伙子三个硬币，因为他想从几何学中得到实际利益！”　
　　好一个“在这里，皇帝没有特权！”，就凭这句话，足以胜任我们今天的裁判！虽然当时他是站在几何学的立场上说的。　
　　裁判上前，跟两位队长谈话，抛硬币选择开球权。欧几里得说道：“对于所有的惯性系来说，规则都是一样的，清楚了吗？所以，今天我将严格按照狭义相对论这一套规则办事！希望你们明白！注意，在这里，皇帝没有特权！”　
　　经典物理学明星队先开球。　
　　裁判对好钟表，“Bi——”开场。过了一会儿，又响起了紧急的哨音。裁判示意重开，刚才的开球不算。　
　　原来，足联打来电话，问为什么时间还没到就开始了。　
　　噢，同时性是相对的！世界没有统一的时间，在裁判那里是8：00了。但是，在足联那个地方却还是7：55！当然就认为你提前开场啦！　
　　牛顿一脸迷茫，非常不解。不过，无奈的是，这次的规则不是他的经典力学……　
　　于是，足联的官员亲自来到球场，再次对好时间，之后，开场！　
　　双方球员你争我抢，好不热闹！你在中场左冲右突，连过数人；而我一脚飞铲，插花带球；观众也激动地站起来狂呼……　
　　牛顿喊道：“e　on！看我无限大速度传球！”转眼间球就到了麦克斯韦的脚下。　
　　“Bi——”裁判上前，出示了本场比赛的第一张黄牌，给予警告！原来，按照狭义相对论的规定，球速必须控制在光速c以下！　
　　……　
　　爱因斯坦带球，插花，过人，好生漂亮！速度太快了！“哦——”全场一阵惊愕。只见爱因斯坦既然变扁了！变扁了！而且动作也越来越慢！仿佛慢镜一般！喂，老兄，那是足球吗？还是橄榄球？！　
　　听到声音，爱因斯坦环顾四周。妈呀！怎么队友们的速度那么慢呀？快点过来呀！接应呀！哇！观众们都变扁了！　
　　管它呢！快到底线了！豁出去了！一脚传中！　
　　球传出去后，爱因斯坦减速下来，身体形状又恢复了正常，动作也快多了！　
　　普朗克飞一般冲向前，试图一头冲顶！却够不着！　
　　原来，速度太快了，质量增得太大，跳得没有以前高了！　
　　全场没有人触到了爱因斯坦的传球，球飞出了底线。Corner！角球！　
　　霍金斩出角球，伽利略争到了第一点，化解了险情！　
　　……　
　　开普勒一脚怒射！还好玻尔身手敏捷，稳稳地将球扑住了！　
　　玻尔站起来，对薛定谔喊道：“看我不确定性！薛兄，接住足球波！”　
　　“好的！波函数坍塌！”薛定谔一拖一拉，将球控制在脚下。　
　　“Bi——”裁判冲了过来，看来又要吃牌了！裁判掏出了一张黄牌，分别给了玻尔和薛定谔警告。“请遵守狭义相对论原则！在这里，皇帝没有特权！”　
　　……　
　　观众一个个都坐不住了，纷纷站了起来，不是说90分钟的吗？怎么踢了三个小时都还没结束呀？！可是一看裁判的表，又确实还没到时间！　
　　原来，裁判和队员一直在奔跑，时间膨胀了，时间过得比我们观众慢！　
　　“Bi——”90分钟“终于”结束了。双方实力相衡，互交白卷，0—0。　
　　休息15分钟后，进入30分钟的加时赛。　
　　……　
　　王淦昌快速带球，再加一脚长传。　
　　“球速超过了光速！”牛顿对着裁判喊道。　
　　“对不起！按照这里的速度合成规则，球速不再是简单的相加！所以依旧在光速以下，不信你自己算！并且，如果达到了光速，那么在所有的人看来，都是光速！我自然会看清楚，请不要多嘴！在这里，皇帝没有特权！”欧几里得嚷道。　
　　……　
　　30分钟结束后，双方依旧没有进球。还是0—0！　
　　无奈，进入残酷的点球大战！　
　　……　
　　20世纪物理学明星对先射，而胡克守门。　
　　爱因斯坦小心翼翼地摆好足球，走到禁区外。扭动一下身子，做了一下热身运动。准备小跑加速……　
　　胡克上下跳动，不断地拍手，也在热身……　
　　突然，晴朗的天空一下子黑暗了下来！所有人都不知发生了什么事情！　
　　只见天空祥云弥漫，红光满天。赤橙黄绿青蓝紫，星火四溅，光彩夺目，熠熠生辉。石燕齐飞，商羊鼓舞。鼓声震天，诗歌传诵，此起彼伏，异香洋溢。（这些和上帝一搭配，有点中西结合的味道，呵呵）　
　　“哈哈——”伴随着一阵笑声，上帝出现了。　
　　“这场比赛没有胜负！不管是牛顿力学也好，还是相对论也好，都不会是我创造和维持这个世界的秘密！你们永远不会找到我的方程式！哈哈——”　
　　之后，上帝抛出了一个足球。那个足球在天空中忽悠了一番，直直撞向了禁区里边的那个足球，两者一接触的瞬间，有如梁祝化蝶，放出了万丈光芒，照亮天际，与此同时，足球和上帝一同消失了……　
　　天空又恢复了刚才的晴朗，好象什么都没有发生过……　
　　原来，上帝抛出的是一个反物质足球，当它与这些物质相遇之时，将全部质量转化成了巨大的能量……　
　　所有球员都呆坐在草地上，苦苦琢磨着上帝的言语……


　回到现实中来。　
　　一开始不被人信服、理解，在嘲讽中成长，最后赢得世人无上的赞赏和荣耀。　
　　这是诸多理论的必由之路。　
　　这是老话了。前面我们已经看到，哥白尼的“地心说”是这样，伽利略的《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》也是这样，牛顿的万有引力还是如此，麦克斯韦的理论也难逃宿命……　
　　而狭义相对论也同样走不出这种“怪圈”。　
　　其实，只要细心思考一下，出现这种现象也是很正常的。　
　　先入为主，旧的理论往往会在人们的思想沃土上扎下深深的根。而人类更是一种有感情的动物，安土重迁，这似乎是我们的本能！可曾记得那些被强制搬迁离开故土的面孔和神情？谁愿意离开那个熟悉的家园？人类总是无意识地固守在旧思想上。这样的惰性思想、感情，更是加大了新理论起义的难度！任何一个新的理论想要推翻旧的政权，都不会是轻而易举的！相反，它必须得花去很长的时间，通过很大的努力。等到旧理论的缺点和不足严重地暴露出来，而自己的优势又显现开来之时，才会真正得到人类的认同，方会有翻身的机会。　
　　但是，真金不怕火炼。只要是正确的思想，它最终还是会得到人类的认可的。这，究竟是真理的顽强生命力所致？还是应该说是人类的一种幸运呢？　
　　1905年狭义相对论横空出世之后，一样地并没有得到人们的重视，甚至受到了很多的质疑和批评。　
　　在法国，在爱因斯坦1910年的访问之前，几乎没有人提过他。直到1924年，还没有一所学校介绍过狭义相对论。在美国，情况更糟，狭义相对论在这里几乎被口水淹灭。而在英国也好不了哪里去，固守藩篱的人们甚至掀起了一场“保卫以太”的运动。德国的情况还稍微好一点，至少还有支持者，而且人们不管支持或反对，都是非常认真地对待狭义相对论的。　
　　那时候，人们依旧死抱以太不放，认为以太是物理学必需的，没有以太，物理学根本就发展不了！　
　　“以太并不是思辨哲学家异想天开的创