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导读
如果你以光速运动会看到什么?

“极快篇”,是讨论当物体的运动速度快到极限,接近光速的时候,会发生哪些神奇的物理现象。“极快篇”包含的内容,主要是爱因斯坦的狭义相对论。

之所以叫 狭义相对论,是因为它研究的对象主要是做匀速直线运动(uniform linearmotion)的物体 ,只考虑物体运动速度大小影响,并不讨论加速、减速的情况。除此之外,狭义相对论也不讨论存在引力的情况,引力是广义相对论的讨论范畴。

狭义相对论,是把物体的运动状态和时间、空间的性质联系起来的理论。

对大多数人来说,爱因斯坦的相对论可能是最为神奇的科学理论,但是相对论说的具体是什么,却没有多少人真的清楚,并且爱因斯坦在刚刚发表相对论的时候,据说世界上只有不到三个人能看得懂,因为它太反常识了。

在日常生活中,我们根本无法感受到相对论的神奇效果,为什么呢?因为我们的运动速度实在是太慢了。确切地说,是跟光速比起来太慢了。光的速度是每秒约30万千米,1秒可以绕地球约七圈半,而 狭义相对论的效果要在运动速度接近光速的时候才会明显表现出来。

狭义相对论对于物理学的发展是非常重要的。当研究尺度缩小到原子,甚至是原子核(atomic nucleu)内部,存在的运动速度极快的基本粒子时,就不得不考虑相对论效应了。狭义相对论是我们认识极度微观世界的必经之路。

当然,在解决现实问题的时候,比如真的要研究宇宙天体的行为,广义相对论才是适用的,而狭义相对论讨论的只是一种理想情况。

如果人随着一道光以光速运动会看到什么景象?这应该是爱因斯坦最早思考的关于相对论的问题,尽管那个时候爱因斯坦还远远没有提出相对论。

我们不如来思考一下这个问题,看看能够得到哪些启发。我们知道 光的传播是需要时间的。 现在我们通常说,宇宙当中某天体距离我们××光年(光年,一个距离单位,代表光用时一年时间所走过的距离,1光年约等于9.46万亿千米)。

譬如,我们现在正在观察一个距离我们10光年远的天体,那我们的眼睛所接收到的来自这个天体的光,实际上是10年前这个天体发出的,它需要花10年的时间才能来到地球上被我们看见。

假如我们现在瞬间移动到距离地球2000光年以外,拿着望远镜看地球,我们看到的地球上发出的光,则应该是2000年前发出来的。也就是我们将能够看到汉朝发生的事情。你现在设想一下,站在距离地球2000光年远的地方,这个时候开始一边用望远镜看着地球,一边开始快速后退。我们假设你后退的速度跟光速一样,那么是不是你眼前的光似乎很难赶上你?

直觉上,即将进入你眼睛的,从地球传来的光,一直无法传到你眼睛里,因为你后退的速度跟光一样快,它追不上你。那么对你来说,你看到的地球上的景象应该是定格了的景象,因为你一旦开始以光速后退,地球上新的景象就没有办法被你看到了。

那是不是对你来说,一旦你以光速运动,你的时间应该就静止了呢?再极端一些,如果你后退的速度超过光速的话,是不是能赶上更早时间发出来的光呢?也就是,届时你再看地球的话,你看到的景象应当是倒放的景象,因为你的速度比光还快,你在不断地追赶之前的光,你看到的地球上的景象应当如电影倒放一般。那是不是相应地,只要我们的运动速度超过光速,我们就能感受到时间倒流呢?先不说超光速是否可能实现,通过这个思维实验(thought experiment),我们是不是能够得到一点儿启发,那就是时间的流逝可能跟物体的运动速度有关?当然,狭义相对论会告诉我们,确实没错,一个观察者所感受到的某个被观察对象的时间流逝速度与该对象相对于观察者的运动速度息息相关。

内容安排

第一章,我们介绍狭义相对论的两条原理——狭义相对性原理(principle ofspecial relativity)和光速不变原理(principle of constant of lightvelocity)。在这两条原理的基础上,所有狭义相对论的效果都是逻辑上的必然导出。

第二章,我们进入狭义相对论的深入讨论。因为狭义相对论是在理想情况下的逻辑推演,很多实际情况并不适用,所以难免会存在一些悖论。通过解决这些悖论,我们从中可以看出广义相对论诞生的必要性。

第三章,我们要着眼于现实,讨论在从低速到高速的发展过程中,人类科技会面临哪些瓶颈?其中会包含许多空气动力学(aerodynamics)的知识。因为从静止、加速到趋近光速,这里面有巨大的技术鸿沟要去跨越,我们必须脚踏实地去了解,我们提速的困难在什么地方。 jisK5p8VgeDuamjv5NiWkAe96SPN0T5uZvUjMKARezIMrLdnR2nY+MI1V6tYA94p

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