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科学分享系列之二 从相对论悟出的哲学问题

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宝宝们都知道,最近天文学界又出了个大事,就是说了那么多年的黑洞到底长什么样?前几天终于露出了她的真面目,首张美照一曝光,发现跟以前各位科学大大们推测描述的相差无几,足见一百多年前(1916年)大大们的智商远远高处我们。黑洞首张美照的发布又掀起了一片科学热,近几天关于黑洞、相对论、引力波。。。的科普文章卷土重来,铺天盖地地刷屏。今天老师也来应个景,不过老师可不是给宝宝们科普什么黑洞、相对论之类的东东,因为那玩意俺也是稀里糊涂,但那些东东稀里糊涂不怕。前两天看到一个叫科普君Xueshu雪树的微博,就是说稀里糊涂不怕的,很有意思,这篇微博恐怕俺和大多数宝宝都能看懂,从这篇微博中突然就悟出了一个人生的大哲理,那就是微博最后说的那句话:“毕竟学会与无知共处是人生必修课”!于是乎老师顿觉醍醐灌顶,原来智商低还可以理直气壮地低!因为“毕竟学会与无知共处是人生必修课”!接下来就全文把微博全文分享给大家,让无知的宝宝们也快乐快乐!

大家初中的时候肯定都学过一个非常简单的实验:通电导线周围的小磁针可以发生偏转。电流是一个个电荷运动叠加组成的,所以不难推出运动的电荷本身可以产生磁场。同时你也肯定知道静止的电荷只产生电场,可以像图中那样形象表示。如果你把这两个简单的初中知识结合起来深入思考,会非常惊讶。

它静止不动的时候只有电场,一旦它相对你动起来就有磁场,那么我们现在可以做一个思想实验:假如你跟着电荷一起运动从而跟它保持相对静止呢?

这种想法很容易就可以实验,譬如你在一个匀速运动的公交车上观察一个跟你同步的静止电荷,这时你看到的电荷只有电场。但是,注意,在你车下的小伙伴看来,电荷是相对他运动的,所以除了看到电场必然还有磁场。这就是最神奇的地方:怎么明明是同一个电荷,在你看来没有磁场,在你的小伙伴看来却有磁场呢?小伙伴看到的磁场是哪里来的?无中生有吗?电场和磁场有怎样的关系?它们是同一个东西吗?

这是一个非常简单的思想实验,如果你是一个特别爱动脑子的小朋友,也许同样可以想到。但它却触及到了极其深刻的问题,实际上触及到了狭义相对论的关键。

你以为狭义相对论只是关于时间和空间的,其实它最开始也是极重要的地方是关于电场和磁场的。

电场和磁场这两个看似截然不同的东西,背后其实是同一个东西。你在静止的时候看到的只是这个东西的一个侧面,而磁场是这个东西由于运动导致的测漏。由于发生了侧漏,你车下的小伙伴看到的电场跟你在车上看到的电场也不一样了,你在车上看到的电场是平方反比库伦律,但小伙伴看到的电场并不是。不过这种差别很微小,小伙伴看不出来。

打个比方,你想象一根棍子垂直立在地上,从正上方打下竖直的光,它在地面上是没有影子的。如果这个时候你把棍子稍微旋转一下歪一点,它就会有影子了,这个影子就能粗略理解为磁场,而它的竖直高度也肯定是降低了一点的,这个竖直高度就可以粗略理解为电场。棍子本身的长度是不变的。这棍子就是电场和磁场背后那同一个东西。而旋转这个行为在相对论中代表的就是速度。

这个比方不是非常严谨,但却抓住现代物理学一些非常根本性的精神:

在一个变化的过程中有什么东西是不变的。

所以库伦定律严格来说只适用于静止的情况,不过这种很微妙的差别中学教材上是不需要讲的。即使是简单的中学教材,如果你肯动脑,也能发现一些很不寻常的东西。但是要适可而止,不要太钻牛角尖。坦然接受各种困惑,可以留待日后解答。毕竟学会与无知共处是人生必修课。

本文分享自微信公众号 - 龙行天下CSIEM(gh_a8911987218e),作者:龙行天下 标准答案 李保来

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原始发表时间:2019-04-12

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