愚蠢人类眼中的相对论呀
2018/8/1 10:43:04 中科院物理所
扩展猫粮
嗯，看完之后……这对章鱼父子到底是什么鬼？他们是几维时空的生物啊？？
其实他们只是为了把时间和空间讲清楚而设立的几个严肃角色，独立于时空之外。
就像视频中提到的，由于人类感知维度的能力有限，我们只能看到时空的某个截面，看不到它的全貌，这就是狭义相对论中一个重要的观点。
话说回来，这么生动形象的阐述方式，其实并不是我们自己想出来的，而是参考了「未读·探索家」即将上市的图书《会动的相对论》。下面我们就跟大家一起，欣赏一下书中几个精妙无比的小片段。
世界是猫和狗的影子
想象一下，你的面前和你眼睛平齐的位置有一支水平摆放的铅笔。现在，让它在水平位置上旋转：铅笔好像变短了!当然，你不会上当，你知道铅笔只是旋转了：你可以从下方或者从上方看它，发现它只是转动了而已……我们想象有些生物的实体就是这个影子的世界。对于他们来说，他们没有办法发现铅笔的旋转。事实上，影子的世界是一个二维的世界；而铅笔的旋转只能发生在三维空间中。但是对于生活在二维世界的生物来说，他无法感知，甚至无法想象第三维，因为他的感觉和大脑只能在二维世界里正常运作。这就像我们这些生活在三维空间的人类无法感知第四维一样。
虽然铅笔这个例子很简单，但它所揭示的原理却是非常深刻的。就像铅笔的影子一样，人类只能看到四维时空的某个截面、某个特定的角度，无法看到时空的全貌，也就无法知道完整的时空到底是什么样的。
就像之前流行过的投影游戏一样，那一坨坨稀奇古怪造型另类的迷之物体就像我们的时空，墙上的影子就像我们看到的时空。
虽然现在我们看见了一只猫，可是只要角度一变，它就有可能变成一条狗。
真实的错觉
用投影来解释时空，确实视觉上直观了很多，可惜它也有不少缺点。
首先最重要的就是，影子毕竟是影子，它不是具体的事物，不能完全代表物体本身。比如说，现在有一根5米长的杆子和一间4米长的小仓库。正常情况下这根杆子是不可能直挺挺的放进仓库的。但是根据狭义相对论，如果让杆子运动起来，它就会变短，而且速度越快长度越短。这样一来，变短的杆子就能垂直着被关进小仓库了，虽然只是一瞬间的事儿。
嗯……看上去好像不是很难懂，但这个效应并不能用刚才的“影子”来解释。因为就算影子缩短了，杆子自己也没有缩短啊？既然杆子本体长度没变，那它就不可能被垂直地关在仓库里啊？
更根本的问题是，相对论效应到底是假象、错觉，还是真实的变化？
杆子的物理长度没有压缩或者拉伸，而出现在缝隙中的那一部分，也就是人类感官可以感知到的那一部分，其长度确实发生了变化。这是因为真实的世界比我们可以感知到的世界多一个维度，而我们可以看到的只是真实世界的一个截面，而且这个截面的角度是可以变化的。截面的角度随着杆子的速度发生变化，杆子就可以或者不可以完全进入仓库。当杆子完全进入仓库的时候，这并不是一个幻象，因为仓库的两扇门可以同时关闭。这就是为什么即使物体的物理长度没有被压缩，其长度的收缩也可以是一个真实的现象。
正如书中所说，相对论效应并不是幻觉，而是一个真实的现象。物体速度产生变化时，展示给人类的截面也是不一样的。就像视频中展示的那样，长度会忽长忽短，时间会忽快忽慢。但是从整个时空的角度来看，物体的物理属性其实并没有变。
所以更准确的来讲，人类只能看到时空的某个截面，而不是投影。这并不是说“投影”这个比喻是错的，它只是牺牲了部分原理性，而让整个相对论变的更加直观而已。
空间和时间是相对的，但是时空是绝对的
蓝色的小截面代表杆子
因此空间和时间是相关的概念。被我们称为“空间”和“时间”的东西都与对方的速度相关。如图所示，对于一个相对于杆子静止的观察者来说，空间是水平的，时间是垂直的。但是从另一个观察者的角度，如果他相较于第一个观察者是运动的，他眼中的空间和时间的方位就是不同的。
这样一来，我们就得到了相对论一个重要的结论：空间和时间是相对的。你眼中的22cm可能是别人的10cm，你感受到的1分钟可能是别人的一辈子。
空间或时间并不是根本的，它们只是重要实体——时空——的不同方面。事实上，即使空间和时间对于不同的观察者来说是不一样的，时空对于所有人却是一样的。这样，时空就不是相对的，它是绝对的。也就是说，空间和时间是相对的，但两者的集合是绝对的。
没错，相对论就是这么神奇。虽然空间和时间是相对的，但时空却是绝对的。高速运动的物体的确产生了变化，也的确没有产生任何变化。好比盲人摸象，你摸到大腿那就是粗，你摸到鼻子那就是细，但是大象一直是大象，它从来没变过。
人类跨过上万年的长河，惊诧于相对论的神奇，歌颂着爱因斯坦的伟大，沉浸于时空的各个角度之中，久久难以释怀。殊不知宇宙就静静地站在那里旁观。白驹过隙，斗转星移，不过是粗劣的小把戏而已。
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看到这里，有没有勾起你对相对论，对整个时空的好奇心？
我的过去为什么会是你的未来？
光速为什么无法被超越？
地球明明是三维的，为什么能用二维地图给画出来呢？
《会动的相对论》刚刚被「未读·探索家」引入国内，本文视频的灵感就是源自这本书，它不是教材“每个推导过程都印在书上了只要你能耐心的看上七天七夜……也不一定能看懂”那种讲清楚，而是“哇原来是这样哇原来是那样哈哈哈哈真好玩儿咦这就看完了吗”那种讲清楚。这都要归功于我们这位来自加拿大蒙特利尔大学的理论物理学家，斯蒂芬·杜兰德。他把最抽象的物理学概念用最直观、最精炼的方式展现了出来，并因其“科普上的创意与准确”荣获加拿大教育部特殊奖。
“相对论看上去是如此抽象，如此颠覆常识，以致大部分人都觉得只有借助数学，并且进行很深入的研究之后才能理解它。而这其实是完全错误的。有一种非常直观的方式可以帮助我们理解相对论，这也正是这本小书想要证明的。”
——斯蒂芬·杜兰德
来源：薛定饿了么
编辑：Aprilis
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