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              不同的角度看世界

                  于德浩

                 2016.5.26

普通大众和专家学者看问题的角度是不同的，正所谓“内行看门道，外行看热闹”。当引力波探测实验公布时，媒体报道，“在100年后的今天，科学家们终于探测到引力波，从而证明爱因斯坦的相对论是正确的。”

其实，即使探测不到引力波，物理学界也一直认可相对论。物理学工作者们为这个实验震惊，是因为人们终于可以整合各种资源进行如此庞大的高度精密实验及相应的复杂数据分析，人类的科学实验技术水平达到一个新的高度。

普通大众喜欢“眼见为实”。当二战时的德国要研发原子弹时，“我们要研制一种新炸弹，其威力可以毁坏一座城市”。这在当时大多数人来看，简直是在哄骗三岁小儿，根本不可能的事。“我们要研发一种新的炮弹，威力更大，打得更远，瞄得更准。”从熟能生巧的角度来看，这是可能的，所以当时德国花大力气去研发火箭技术。

在1945年，当两颗核弹把广岛和长崎两个城市摧毁时，人类震惊了。原来在实验室摆弄试管烧杯及写写画画的科学家们真不是吃素的。从此，科学真正登上了人类舞台。

爱因斯坦的质能方程从理论计算上揭示了核武器的巨大破坏力，而质能方程又源于相对论原理，所以“现实”的人类就普遍接受了相对论。相对论还指出，时间会随着物体速度的增加而变慢。比如，一对20岁的双胞胎，如果其中一个以光速去太空遨游50年后再回到地球。那么地球上的就是70岁的老人，而星际旅行的还将会是20岁的青年。正所谓，“天上三日，地下十年”。

如此神话传说，如此科幻故事，如此远离常识，人们会信吗？会信，即使物理学家们在几百年内不可能做出这样的“现实”实验。因为人们看到了“荒诞不经”的核武器真的摧毁了一个城市，因为所有的科学家都这么认为，因为人们正在开始崇拜科学。

科学需要发展，不需要崇拜，因为每一个科学结论都是可以进行数理逻辑推导的。在现实宏观世界中，无论你身在纽约或北京，无论你坐飞机还是步行，时间都是一样在均匀流逝。一个人每天坐超音速飞机，他不会比别人更年轻；但是，如果他坐近光速飞船，那么在别人看来，他就会永葆青春。这两种看似截然不同的结果，源于同一个相对论的洛伦兹变换公式。

时间变换的洛伦兹膨胀因子与物体的运动速度直接相关，当物体的速度为0或远小于光速时，洛伦兹因子近似为1，我们称为低速近似，此时时间不变。当速度逐渐接近光速时，洛伦兹因子开始逐渐变大。比如v=0.9c时，洛伦兹因子大约为2，就是说他每过1年，我们就会过两年。当v=0.9999c时，洛伦兹因子是71，此时他过1年，我们就得过71年。

光速c是30万公里每秒，子弹的出膛速度最快估计是1公里每秒，而超音速飞机最大也不过3马赫，与子弹速度相当。宏观世界物体的最快速度仅仅是光速的三十万分之一，基本可近似认为v=0c，洛伦兹因子为1。所以说，他坐飞机每过1年，我们也是过1年，都一样。在微观世界中，高能粒子的运动速度都是接近于光速。高能粒子的寿命大都极其短暂，即使以近光速运动，从其产生到湮灭也只能跑几米的路程。当粒子速度为0.9c时，它在存活时间里能跑3米；而v=0.9999c时，它实际能跑110米。这就是相对论时间延长的实验验证，因为如果时间一样的话，那么它只能跑3*1.1=3.3米。

也许有人会问，如果物体速度超过光速，时间会怎样变化？负责任的讲，我只能以孔子的“未知生，焉知死”来回答。光速最大且不变是相对论的一个基本假设，在目前的理论和实验中并未涉及“超光速”这种很难想象的东西。在知乎上，有人以洛伦兹变换公式去“计算”超光速，并且认为超光速可以实现“时光倒流”，我只能称其为科幻或者伪科学，绝对不是科普。倘若真的去研究超光速，那么现有的相对论绝对是无能为力的。可能几百年后，会出现一个“恨因斯坦”研发出“绝对论”来引领人类更高的飞跃。

言归正传，相对论的正确性绝不需要通过扔两个核弹去证明。就如同“一个人从10楼坠下会摔死”，我们没必要去真把1万个人从10楼推下去，然后统计存活率。质能方程的科普表述是E=Mc^2，乍一看也就是初中数学。其实，这里的质量M是“动质量”;而牛顿力学的动能E=1/2mv^2，这里的m是“静质量”。质能方程的严格表述如下，

  E=[1-(v/c)^2]^(-1/2)mc^2，

前面中括号这一项就是上文提到的洛伦兹因子。值得一提的是，狭义相对论的基本变换公式是物理学家洛伦兹为迎合实际情况先“凑出来”的，而后来爱因斯坦根据相对性原理及光速不变假设进行理论推导得出的。爱因斯坦说过，“狭义相对论，即使没有我，也会横空出世。”

现在，我们把上式在(v/c)^2=0处进行泰勒展开，

   E=mc^2[1+1/2(v/c)^2+1/2*3/4*(v/c)^4+…]，

我们仅计算了泰勒展开的0阶项、1阶项和2阶项。当(v/c)^2很小时，上文中提到宏观物体的速度仅有光速的三十万分之一，3阶以上可视为高阶无穷小，可忽略不计。

这样， E=mc^2+1/2mv^2+3/8mv^4/c^2，

与经典物理相比较，质能方程的第一项就是爱因斯坦新引入的质能项，第二项就是经典物理的动能项；而第三项及没有写全的后面很多项与前两项相比都是无穷小项，可忽略不计。在一般的物理变化及化学变化中，第一项是不变项，实际就是“物质不灭的质量守恒定律”；而第二项就是经典物理的“能量守恒定律”。而在核反应及高能粒子对撞中，质量守恒定律不再单独成立，而总的质量能量守恒定律才成立。

    就是说，仅从质能方程的这个公式本身，物理学工作者就接受了相对论的正确性，能向下兼容已经熟知的经典理论，也能向上解释新的物理现象。

   

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关键词：看世界 狭义相对论 爱因斯坦 守恒定律 物理学家 爱因斯坦 原子弹 相对论 科学家 工作者

"当速度逐渐接近光速时，洛伦兹因子开始逐渐变大。比如v=0.9c时，洛伦兹因子大约为2，就是说他每过1年，我们就会过两年。当v=0.9999c时，洛伦兹因子是71，此时他过1年，我们就得过71年"把这种现象看作宇宙时间倒流实际就是掩耳盗铃，先不说真正等于或超过光速之后减速还原之后时参照物或人是否能复原为之前的物或人，即使这样也不过是主观感觉和物或人自身参照系的组合或有序性保持原状而己，与客观环境的更高层次时空何关?充其量是局部空间的运动变化的相对静止，以光速为最高速度的假设必然导致动极必静的现象，有关时间的研究我写过几篇贴子，有空可交流交流

与宗教对立的那种科学，它在不断证伪人类的“眼见为实”。

恩格斯的那种“科学”，也只不过是技术，是宗教信徒也能够大有作为的技术，它在试图证实人类的“眼见为实”。