|
相对论的人生哲学启示 一，题记 我脑子里冒出这么个类似理科毕业论文的题目时，自己也吓了一跳！一个只在中学学过二年物理，靠作弊勉强及格的文科生，居然敢奢谈相对论？不是高烧不退，就是胆大包天了。 但是反过来想：我们看到的都是专家对相对论的介绍，也许看看一个连初中女儿的物理也辅导不了的人对相对论的理解和从中得到的一些启示，别有一番情趣呢！而在我自己算读书笔记吧。 我开始去了解相对论是在参加工作后了，大约85年吧。那时看了一本很旧的连封面也掉了的科普书《从一到无穷大》。那是一本至今我也认为是看过的最好的书，我是当小说一口气看完的。从此萌发了我对自然科学中哲学原理部分的兴趣。当然解题计算之类的，我是没兴趣的，也做不来。这也是我不能具体辅导女儿的原因。但是我讲解的原理能让孩子对科学感兴趣。“原来科学是这么有趣的！”当孩子发出这样的感想时，我想，比帮孩子做出几道作业的作用要大得多了。这也是我想写这篇文字的原因之一。 我始终认为，无论什么学科，撇开其技术和证明部分，在哲学层次都是相通的。我虽然对爱因斯坦运用的什么黎曼几何，张量分析之类一窍不通。但我只要知道他证明的结果和这个结果得到了试验的检验就够了！所以了解——仅仅是了解不是研究一门学科的精髓不需要太多的专业知识。这也是我想与大家分享并付诸文字的原因之一。 二，运动的相对性 爱因斯坦本人有个比喻：如果你在一个漂亮的姑娘身旁坐一小时，你只觉得坐了片刻，反之，你如果坐在一个热火炉上，片刻就象一个小时。这就是相对论。这也是我还是学生时对相对论的理解。其实，这可能只是爱因斯坦不想多费口舌时的幽默，这个比喻与相对论完全是两回事。 当你驾车以 显然，相对于坐在右边的女朋友，你是静止的；相对于也以同样速度跟在你后面的车来说，你也是静止的；相对路面你是以 启示：我们常不自觉地把人分为好人和坏人。这也是相对一个方面来说。离开相对性，人没有好坏之分。我们说杀人犯是坏人，那是相对于社会和法律而言。也许这个杀人犯是个很好的父亲或丈夫，那么相对于孩子或妻子而言，他是好人。见义勇为的英雄也许在单位是不太守纪律的人。那么相对单位的纪律来说，他不是好职工。但相对社会的某个方面他是好人。再比如对网上聊些无聊话题的人，“无聊”也只是相对于认为那话题是无聊的观念的人来说的。相对于另一方面，他未必就不是重情重义的人。所以，我们看人、看事都要以相对论的原理，找到合适的参考系。 在我们对一些事物“剪不断，理还乱”时，不妨用不同的参照系多方面来分析。当你对某人或某事产生好的或不好的看法时，最好你要明白这看法是相对什么而言的，也许就能客观了。 三，时空的相对性 经典物理学认为，存在一个绝对的空间和绝对的时间！牛顿是这样定义时空的：“绝对的空间，就其本质而言，是与任何外界事物无关的，它从不运动，并且永远不变。”；“绝对的、真实的数学时间，就其本质而论，是自行均匀地流逝的，与任何外界的事物无关。”显然，牛顿在写这几句话的时候，他自己并没有认为在写什么新的东西，更没想到它会引起争论。他只不过把正常人头脑里认为显然如此的概念用准确的语言表述出来罢了。在爱因斯坦之前，没有任何人提出异议。这就是哲学家所说的先验的东西。然而相对论认为，没有绝对的时间和空间。 空间的相对性正如前面所说，因为没有绝对的运动和静止，运动和静止都是相对于参照物来说的。离开参照物就不能判断运动和静止，也是豪无意义的。 时间也不是绝对的。时间与运动和质量相关。在不同的参考系中时间是不同的。也就是说，飞机上的时间与地面上时间的流逝不一样，飞机上的时间要比地面的慢。不同速度运动的物体都有不同的自身的时间概念。所以我们再也不能把时空分开来说了。这就是爱因斯坦的四维时空观。在广义相对论中，时间还与质量有关，就是在大质量附近的时间要比较远的地方的时间慢。（我们说大质量只是因为大才能让我们察觉而已。就像只有在很高的速度我们才能察觉时间的区别一样。理论上，不管多大的速度或多大的质量时间都是有区别。）还是举飞机的例子，飞机上的时间与地面不同，是有两个因素决定的，一是因为飞机相对地面的运动，时间比地面慢，第二是因为飞机高，离地球这个大质量比地面远，时间比地面快。飞机上时钟的这两个差别都能计算出来的，而且用精确的原子钟，得到实验的检验。 还有一个有趣而且是突破人们固有思维的是：运动的物体不仅时间比相对静止的慢，而且物体的长度也比其相对静止时短（在运动方向上）这就是运动的空间收缩了。当然这也是相对的。路面上的人观测到车上的时间慢了，车身也比停止时短。反过来，车上的人观测到地面的时间也慢了，地面上的物体也缩短了。这就和前面我们说的，车没动是地面在动一样的道理。那么有人就会问，那究竟是哪个短了和慢了呢？问这个“究竟”就还是绝对的时空观作怪。没有究竟！任何事物都是相对的。只能相对参照物谈时空。离开参照物（或称参考系）是没有意义的。当然真要观测到车（或车上人观测到地面）的时空变化，其速度要快到接近光速。 启示一：我们常常把很多观念当作先验的东西，以为是无庸置疑的。就像我们对传统时间的看法一样。其实很多以为不需要思考的事物都是值得思考的。比如我们传统的礼教观念。因为多少代人不断的灌输，已经深入我们的脑海，当作先验的东西。判断事物时，我们就会不自觉地下意识地拿这种观念来衡量，好像天经地义一样。打破脑海中的“天经地义”深究一下，可能会发现很多问题！看事物也透彻了。 然而打破固有观念是很难的。就像我国鸦片战争被西方欺负后，首先想的是器物不如别人，于是搞洋务运动。但甲午战争还是失败了，这才发现不仅是器物不如别人，根源是制度，于是搞了戊戌变法想改变体制。然后变法也失败了。有见识的人才感觉最根本的还是思想，也就是国民的观念，于是搞起新文化运动了。可见观念的改变是很难的。 我最崇敬爱因斯坦的也就是他超脱凡人的思想！打破了人们一直认为先验的时空观。相对论不仅是物理学的革命，也是哲学的革命、观念的革命！ 启示二：面对新的时空观，我首先联想到的是怎么看待生命。当一个人乘坐接近光速的工具到遥远的星空旅行回来时，对他只是过了一天，而我们地面的人已经过了很多年。这时他和我们的感觉是什么？他的感觉应该是很简单，就是仅仅度过了愉快的一天而已。我们这几年应该经历了很多的风雨世事，感慨万千吧！但在他看来，我们这些风雨世事，感慨万千有什么意义呢?用他的眼光这么一审视我们的生活，就有点颓废了。但我要说的，不是生命没有意义的颓废，是说我们对生活要豁达！我们斤斤计较的恩怨得失，也许是没有任何意义的笑料（在那个旅行者看来就是笑料）。何不把这些年浓缩成那个假设的旅行者那样的快乐的一天呢？ 四，光速恒定 据说，爱因斯坦是因为这样一个假设而萌发相对论思想的：假如自己以光的速度随同光一起运动，自己会看到什么呢？他意识到，一个可能的答案是，光似乎是静止的，正如看到同车行驶的女友是静止不动的一样。再假如这束光线是从一个时钟中发出的，那么，随同光线运动的人将看到时钟是停止运转的。 爱因斯坦意识到。第一个假设显然是说不通的，光不可能静止，因为光是波，而波必须运动才能存在。由此，他推导出光速是恒定的，不管观察者的速度如何。你看到的光速都是30万km/m（真空中）。第二个假设推导出时间与运动的关系，这点前面已说过。 说光速恒定，也是违背人们习惯思维的。从前面我们说过的时速 另外，相对论还认为，光速是宇宙一切运动的上限。没有比光速更快的运动了。普通的物体只能在理论上无限接近光速，（接近光速也意味着时间接近停止）但永远征服不了最后一位小数，而达到光速。因为按相对论的理论，达到光速，物体的质量将是无穷大，那么加速的动力也需要无穷大。显然我们没有无穷大的动力。所以我们看到的一些时光倒流的科幻片中的超光速是与相对论不符的。 我这个门外汉也有一点自己的看法：我们不如把光速改称为物体间作用力的速度。这样你再说，物体间的作用力的速度是一切速度的上限，而光速正好等于这个作用力的速度。这样说也许常人就好理解些了。 启示一，虽然相对论把以前很多我们以为是绝对的东西都相对论了，但却出来一个我们本以为是相对的光速的绝对论。所以我们看问题也不能完全按一个模式思考，克服思维的惯性。当我们满脑子都是相对、相对的时候，不就出来一个绝对的光速吗？在现实生活中，我们也有许多思维的惯性。比如我们对孩子的思维模式大致如此吧：首先是读书，拿到尽可能高的文凭；然后是找个自认为好的职业；然后是成一个美满的家；然后是拼搏出个事业有成。大致如此吧！我想起古代的读书人的模式了：首先是十年寒窗百事不问，读那些百无一用的圣贤书，然后是金榜题名，同时来个洞房花烛；然后为官一方，再娶几 这三种思维模式到底有多大的差别？我们能突破这样的思维吗？已经离开相对论比较远了。打住！ 启示二，据说，光速是宇宙一切速度的上限已经受到挑战。不管怎么样，我想，即便是对伟大的相对论也不能迷信。现实中我们也常听到这样的话：“书上都这么说了，还能有假？”大跃进时，报上天天“放卫星”现在我们是当笑话看的，但我们就没有迷信吗？还是有的。假如，今天你在中央电视台，看到中科院开新闻发布会，宣布：袁隆平种出亩产5万斤的稻谷。你信吗？反正我是会信的。所以大跃进的笑话不是笑话！我们都有迷信的时候和迷信的事物。 五，质量的相对性 即便你不了解相对论是什么，也十有八九会看到或听到过著名的质能方程式：E=mc2意思是能量等于质量乘光速的平方。别小看这个小小的数学方程哟！它表达一种非常伟大的思想。它说明质量与能量实际上同一事物的不同形式；质量与能量可以互换；它是原子弹和核能发电的理论基础；在某种意义上，它说明我们见到的一切物质都是冻结的能量。我们中学学的能量守恒定律和质量守恒定律已经不能单独成立了，取而代之的是质能守恒定律。由于光速是个很大的数，所以物质冻结的能量是很惊人的。 就是这个简单的方程式，使我们以全新的方式看待我们这个宇宙以及我们自身！ 质量的相对性还有另外一个因素，那就是质量随其运动速度而增加。当然也是在接近光速时我们才能观测到这种变化。传统的物理学认为质量是绝对，不随速度或任何因素而改变。这也是相对论的突破！ 启示：由此我想到：人的潜力究竟有多大？是否也象质能方程式那样惊人巨大呢？也许我们永远也不知道!就像物质的能量一样，没有极大的动力它是不可能全部释放出来的。但人遇到生命危险时，本能反应出的能力就比平时大很多。那么我们的工作能力，生活能力呢？我想也应该是比我们现在表现出来的大得多。因为我们平时的能力表现受环境的制约，正如物质在常规环境下释放的能量非常有限一样。比如，当你是一个单位的一把手，你的能力一定比你只是个职员时强很多，我说的能力不是指权力，也不是因为权力而获得的能力，是指你自身的能力——你的思维能力、你的反应能力、你的看问题的深度等等内在的东西。当然也许另外有人在这个位置比你表现的能力更强。但自己和自己比，一定是在不同职位，有不同的能力。这就是说，我们每个人都有很多没有释放的能量。 正是爱因斯坦的方程告诉我们物质储存着大量的能量，人类才制造出核武器和核能发电，核能动力等。那么我们如果知道自己也潜伏着很大的能力呢？我们也该自觉地去开发它吧！我们为什么不能在职员的位置上开发出我们在老总的位置上才有的能力呢？ 六，弯曲的时空 26岁的爱因斯坦在1905年发表的狭义相对论只是考虑了惯性系（惯性系就是静止或匀速直线运动的参考系）。但是，由于引力是无处不在，我们见到的基本都不是惯性系。他意识到引力是不能回避的，于是他又用了八年的时间，发表了广义相对论。这八年中的相当一部分时间是用来弥补自己数学的不足（主要是分析弯曲时空时必须用到的数学手段：黎曼几何和张量分析） 在通过对引力场和加速度的等效原理分析后，爱因斯坦得到了这样的结论。时空在大质量附近是弯曲的。在大质量附近不仅时间变慢了，空间也弯曲了。爱因斯坦完全凭数学计算，得出了太阳附近的空间曲率。后来在一次日食时（只有在日食时，我们才能观测到由遥远的某个恒星发出的经过太阳旁边的光线，然后与太阳离开后这个光线的夹角比较就知道光线弯曲的程度，也就是太阳附近空间的曲率了），由英国人观测证实了爱因斯坦的正确。那么地球是因为太阳的引力才绕它转动的说法，就可以用如下的说法替代：地球是在太阳引起的弯曲时空中直线（这里的直线不是平面几何中的直线是指测地线）运行。也就是说，我们熟知的万有引力不存在，取而代之的是弯曲的时空，星球都是在弯曲的时空中按惯性规律在运动。其实引力和弯曲空间是等效的，如果你喜欢用引力来描叙也没错。爱因斯坦对弯曲时空的方程也称引力场方程。 不用引力概念了！那么总结起来就是：物质告诉时空如何弯曲；时空告诉物质如何运动。简单解释一下：物质的存在导致周围时空的弯曲，而时空弯曲后导致经过这个时空的物质沿着这个时空给出的路线运动。我们地球就是按太阳弯曲的时空曲率在运行。 令人着迷的黑洞，是爱因斯坦引力场方程的一个极端的解。由于其曲率很大自我封闭，因此在黑洞里时间是停止的，任何物质也出不来，包括光线。 启示：我们人生也许如同宇宙一样，也有一个我们没有察觉的弯曲时空，我们不自觉地也按这个曲率在走自己的人生路。我想这是可以理解的：孩子按家长的要求或影响在走，下级按上级的要求或影响在走，学生按老师的要求和影响在走。还有配偶，亲人，同学，同事，朋友等等都是一个个影响我们人生的引力场，都在或多或少地“弯曲”着我们的生活空间。我们的人生轨迹是与这一个个“引力场”分不开的！ 人生比没有生命的宇宙要复杂得多！至少宇宙的引力场没有什么好坏之分。而影响我们生活空间的“引力场”则是良莠不齐。所以有孟母三迁邻的故事。所以一方面我们应时刻记住“亲贤臣，远小人”的古训；一方面也要自我修养，因为自己也是别人的“引力场”，相对论嘛：） 七，后记 这么一篇几千字的短文，当然是无法说清楚相对论的，好在我不是写科普读物；也无法说清楚人生哲学，好在我也不是想说教。我说过，算自己的读书笔记吧。 假如因此而让读我这篇短文的朋友去找找有关相对论的书籍看看，或者因此而悟到点滴人生哲理，那就是达到我发这个贴子的目的了。2004-12-24 |
|
回复:总结的很全面 是搞科研的或者喜欢科研课题吧。 ※※※※※※  |