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聊聊狭义相对论-第章

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  “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%的机会这样发展,而有80%的机会那样发展,但是,你却预言不了它接下来究竟会发生什么样的事情!概率小并不意味着它不会发生!概率大也绝不预示着它必定会发生! 
  是的,只能用概率来描述! 
  这个世界是概率的世界! 
  这从根本上跟狭义相对论相悖! 
  然而,在微观世界的实验中,这样的法则却屡试不爽! 
  以致于在1986年,英国剑桥卢卡斯的莱特希尔(James Lighthill)教授(这个位置可是当年牛顿坐过的,而反物质的预言者狄拉克也担任过这个职位,前面也说了,现在由霍金掌管)公开向全社会作出了这样的道歉:“现在我们都深深意识到,我们的前辈对牛顿力学的惊人成就是那样的崇拜,这使他们把它总结成一种可预言的系统。而且说实话,我们在1960年以前也大都倾向于相信这个说法,但现在我们知道这是错误的!我们以前曾经误导了公众,向他们宣传满足牛顿运动定律的系统是决定论的,但是这在1960年后已被证明不是真的!我们都愿意在此向公众表示道歉!” 
  是的,爱因斯坦输了! 
  是的,决定论也输了! 
  而在因果律方面,狭义相对论也同样遭遇了滑铁卢! 
  爱因斯坦深深地信奉因果律,而他的理论也是满足因果律的要求的。对于爱因斯坦来说,这是显而易见、毋庸置辩的事情——在所有的惯性系看来,一件事情的起因都必须发生在其结果之前。举个例子来说,“苹果掉了下来”这是起因,而结果是“牛兄发现了万有引力定律”,那么对于所有观测者来说,都应该是这样——起因在结果之前。而不应有人看到:牛顿发现了万有定律之后,苹果掉到他的头上! 
  而前面我们也讨论了,光速作为最大的信号传播速度,恰恰保证了这样的秩序要求。 
  其实,选择因果律蕴涵着一种自戕的意味。 
  在经典理论中,包括牛顿力学和相对论,时间是没有箭头的——它们是决定性的,我们可以推算过去,更可以预言未来,而且经典理论对于向前和向后的时间是不可区分的! 
  也就是说,向前和向后的时间是一样的!是等价的!都是方程所允许的! 
  这就有一些不太漂亮的地方了! 
  我们再在“苹果掉了下来”的前面加个原因——“苹果熟透了”。 
  按照因果律的理解,每一个起因唯一地导致了一个结果。 
  但参照经典理论,向前和向后没有区别!那么,很明显,我们可以这样说——苹果掉了下来导致了牛顿发现万有引力定律;也同样可以说,苹果掉了下来,导致苹果熟
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