高手相對論

xiangduilun

基本資料

  • 作者: 萬維鋼
  • 出版日期: 2022/01/26
  • 出版社: 遠流
  • Score /5: ⭐️⭐️⭐️

筆記

  • 可以透過實驗判斷「靜止」或「等速度」，「引力」或「加速度」嗎？
    • 「伽利略相對論」表示，「力學實驗」沒辦法分辨靜止或等速度。
    • 「狹義相對論」表示，「任何實驗」都無法分辨靜止或等速度。
    • 「廣義相對論」表示，「任何實驗」都無法分辨引力或加速度。

第一章 一個簡單的信念

  • 伽利略提出了：「靜止不動」跟「等速運動」沒有本質上的差別。
    • 也就是說，根據選定的坐標系不同，你描述出的力學狀態也會不同。
    • 這可以理解為是伽利略的相對論。
  • 而那個簡單的「信念」就是「相對論」，也可以稱作「不特殊論」，即，不管你運動速度有多快，你的坐標系其實都「不特殊」。

第二章 英雄與危機

  • Maxwell 非常牛逼，他把當代對於「電磁學」的所有研究集大成，自己總結成公式。
  • 更牛逼的是，因為電能生磁、磁也能生電，他著手計算，算出了「電磁波」的存在，其速度為「光速」。
  • 酷吧，純粹用理論導出，這就是物理學家牛逼的地方。他直接大膽宣示：「光就是電磁波」，然後後來也證實了。
  • 然而危機也產生了：既然光就是電磁波，那麼這個波速，又是「相對」於誰呢？

第三章 光速啊，光速

  • 光速是相對於波源？
    • 不對，根據對於「雙星系統」的觀測，遠離的跟靠近的光速依舊一樣。
  • 光速是相對於介質？
    • 是否就像其他的波一樣，速度取決於介質呢？
    • 於是大家就假定了「乙太」的存在。
    • 然而，「邁克森-莫雷實驗」否證了這件事。
    • 我們也可以用後見之明來否定這件事：如果乙太真的存在，那麼我們就可以在密閉的空間中做電磁學實驗，判斷自己處於靜止或運動（看光速有沒有速度差別）。但實際上就是，沒有任何實驗可以驗證靜止或運動。

第四章 刺激一九○五

  • 愛因斯坦奇跡年發表的四篇論文：
    • 《關於光的產生和轉變的一個啟發性觀點》提出了「光量子假說」，解釋了「光電效應」。
    • 《熱的分子運動論所要求的靜止液體中懸浮粒子的運動》理論上證明了「分子」的存在，解釋了「布朗運動」。
    • 《論運動物體的電動力學》即「狹義相對論」。
    • 《物體的慣性同它所含的能量有關嗎？》利用「狹義相對論」算出了「質能等價」。
  • 而《論運動物體的電動力學》談的就是「伽利略相對論」的推廣：不止力學，連「電動力學」在任何坐標系之下，都是一樣的。
    • 所以，光速相對於任何坐標系，都不變。
    • 覺得奇怪的我們，實際上是因為我們的「時空觀」是錯誤的。

第五章 穿越到未來

  • 作為驗證，「緲子實驗」證實了非常接近光速射進地球的緲子們，的確時間變慢了。若非如此，他們的衰變速度根本太快，地球上本該捕捉不到才對。

第六章 「現在」，是個幻覺

  • 根據觀察者坐標系的不同，「事件的發生順序」可以是不同的，但「事件本身」卻是絕對的。
  • 可以用「光錐」來理解這件事。
  • 而「光錐」也說明了，光速是資訊傳遞的最快速度。

第七章 質量就是能量

  • 「狹義相對論」告訴我們：速度越大，時間越慢、長度變短、質量變重。
  • 根據這個道理，隨著速度上升，質量變重了。多出來的質量從哪來的？就是能量變的。

第八章 不可思議的巧合

  • 「引力質量」跟「慣性質量」為什麼相等呢（大鐵球跟小鐵球同時落地）？一直以來也只能當做巧合來看，但愛因斯坦不這麼認為。

第九章 大尺度的美

  • 這個巧合是因為，比起地球引力，大鐵球跟小鐵球對於時空的彎曲程度太小了，所以基本上他們都是沿著「測地線」進行「自然運動」。

第十章 愛因斯坦不可能這麼幸運

  • 廣義相對論的論點，透過以前以為是誤差的「水星進動」跟非常難得的「日全蝕才能觀測到的恆星光線偏移」得到了驗證。
  • 而就在 1915 發表後，居然超級好運的遇上了 1919 年的日全蝕？就是那麼好運，下次可要等 18 年。

第十一章 黑洞邊上的詩意

  • 試想，自由落體的電梯中，地板向上發射光線，天花板的觀測者是否會觀測到藍移？
    • 一般人會說：啊哈！等效原理錯了！
    • 愛因斯坦說：有趣！重力必須自帶紅移！（時間要變快）
  • 這樣一來，「狹義相對論」跟「廣義相對論」都能影響時間了。
    • 山頂上的人，時間快，老得快。
    • 在高空中飛行，「速度會讓時間變慢」，但「高度會讓時間變快」。
    • 普通航班中，高度的影響略微勝出，所以其實老得比較快。
  • 經查詢，其實重力紅移可以用「光子能量」和「位能」導出：光子飛離重力中心，一部分能量轉換為重力位能，於是能量降低，光子的頻率也就降低了，此時波長變長。

第十二章 愛因斯坦的願望

  • 廣義相對論的公式出來以後，愛因斯坦相對整個宇宙求解，但為了滿足「宇宙是靜態」的這個他以為的事實，可以加上了 Λ 這個宇宙常數。
  • 可惜了，如果不加上去，公式其實就表明了宇宙正在擴張。
  • 哈勃提出宇宙擴張說以後，愛因斯坦承認了錯誤。

第十三章 相對中的絕對

  • 「相對」於不同的坐標系，會觀察到不同的客觀事實。但其中已經發生的「事件」則是「絕對」的。

評註

  • 文筆流暢，敘事清晰。
  • 相對論發展的歷史很好看，但相對論的理論說明篇幅略少。即，閱讀本書可以更多地認識科學史，但沒辦法對相對論有太多更深入的瞭解。