光速究竟有多慢?牛頓的棺材板可能真的壓不住了

天空之城 2022/09/12 檢舉 我要評論

世界上第一條人造彩虹,是牛頓做出來的,他也是第一個分析光的物理學家。

是的,那個著名的三棱鏡實驗就是牛頓做的,是不是覺得他更偉大了。

牛頓制造了人類第一條人造彩虹

然而,牛頓受制于時代,他對于光的研究并沒有很深入,并且他當時認為光是一顆一顆的粒子組成的。

牛頓去世之后,物理學家們對光進行了深入研究,發現它是一朵「奇葩」。

如果牛頓知道了后續的光學研究,可能他的棺材板會壓不住。

力學之父牛頓

牛頓的力學世界

學物理必學的力學,也必然 繞不開牛頓的三大定律

我們現在看科幻片,里面如果出現 反重力的現象,大家都會玩梗,說:「 牛頓的棺材板按不住了!」

因為在地球上,任何生物都無法擺脫重力, 重力來源于地球的萬有引力

只要地球不爆炸,萬有引力就不放假,只要在地球上生活,就得乖乖聽引力的話。

按照牛頓他老人家的第一定律,任何運動的物體,突然把力撤去,它會維持原有的運動方向做勻速直線運動。

牛頓的棺材板壓不住了

這個定律也被稱為慣性,也就是說,師傅剎一腳,車停了,但是師傅會 繼續朝前面以原先的速度勻速直線運動

現實中的師傅沒有飛出去,是因為 栓了安全帶,以及受到了摩擦

牛爵爺的第一定律 直接挑戰了祖師爺亞里士多德的理論,祖師爺認為力沒了物體也就不運動了。

在地球上,牛頓第一定律很難完全實現,但是 在太空中實現了

慣性的示意圖

人類最遠的兩個星際探測器 旅行者1號和2號在能量耗盡后,就會 維持原有的速度和方向,繼續朝太陽系外運動。

因為宇宙中沒有什麼空氣阻力,兩個探測器只要別撞上其他天體,就能一直運動下去。

牛頓老人家的第二定律就是 合外力與加速度的關系,公式F=ma。

第三定律就是著名的 你打人一巴掌,自己的巴掌也會很疼,并且打得越狠手越痛。

根據牛頓第三定律手也會疼

這三大定律加萬有引力, 只要是個地球人,一輩子都離不開它們,牛頓在我們生活中無處不在。

然而,牛頓的成就不只是力學定律,他還開辟了另一個物理領域—— 光學

雖然牛頓對光的研究比較淺顯,但是成就也是非常高的, 他用三棱鏡得到了七色光,揭示了光的顏色是混合出來的。

此時的牛頓還沒有發現, 光的很多特性都是違背力學的,它是宇宙最大的叛逆者。

三棱鏡制造彩虹

神奇的光

光不會受到地球引力的影響,它可以從地球身邊擦肩而過,不留下一片任何痕跡。

為何光能夠踐踏萬有引力,無視地球呢?因為光是沒有質量的!

牛頓研究光的時候,用三棱鏡將它們打散了,獲得了七種 「葫蘆娃」顏色的光

當時他認為, 光是各種顏色的微粒構成的,也就是說 光是一種粒子

但是, 和牛頓一個時代的胡克認為, 光是一種波

于是二者展開了激烈的爭論,雙方的支持者也是各種「開戰」。

彈簧之神胡克

牛頓的支持者認為, 胡克彈簧成精了,看啥都是波;胡克的支持者則認為,牛頓 搞力學魔怔了,看誰都是「粒」

這場爭論一直延續到了1807年,一位叫 托馬斯·楊的物理學家做了一個實驗,這就是載入物理史冊的 雙縫干涉實驗

該實驗驗證了光是一種波,牛頓「粒」學似乎在光學中失敗了。

但是在1905年,那個名叫奇跡的男人愛因斯坦認為,牛頓和胡克都沒有錯, 光既是一種波還是一種粒子,它具有波粒二象性

光的波粒二象性

1926年,物理學家 吉爾伯特·路易斯正式將這個粒子命名為光子。

事情到這里似乎可以畫上圓滿的句號了,從此再無牛頓和胡克的光學之爭了。

然而,光的神奇之處開始被科學家們發現, 這個光子,竟然是沒有質量的

萬有引力和是第二定律都涉及到了質量,光子沒有,這就讓它無法被力束縛, 無視牛頓,直接飛過地球

一言蔽之,光不歸牛頓管, 它可以任意挑戰牛頓的任何一條定律

光子不歸牛頓管

那麼,就沒有人能管管光嗎?

當然有,牛頓管不了光是因為他的物理理論是建立在巨觀條件下的,但是愛因斯坦可以管光,他甚至「馴服」光。

愛神發現了它在能量中占據的作用,得到了著名的 質能方程,這也是 難得的有光速參與的公式

愛因斯坦以光為參照,詮釋了 時間和空間,顛覆了牛頓的力學世界

也讓人們看見了牛頓物理的局限性, 在地球巨觀物體上,牛頓力學是絕對的王者,但是離開了地球,很多東西就不歸牛頓管了。

牛頓研究光的時候,還并沒有意識到光的速度,估計在當時的他眼里,光速比較慢。

愛因斯坦的加速世界

愛因斯坦的新世界

牛爵爺的物理里面, 一切物理量都是獨立的,比如時間就是時間,空間就是空間,質量是不會變的。

根據牛頓的萬有引力公式, 地球產生引力的原因是自身的質量,但是愛因斯坦表示,不一定。

愛因斯坦認為, 引力的產生來自引力場,是天體附近 空間發生彎曲而產生的。

只要置身于這個彎曲空間內,那麼就會 受到地球引力的控制,這就好比海上的一個漩渦,只要靠近漩渦就會被吸住。

引力場

引力場是可以束縛光的,只是地球的引力場做不到,宇宙中的很多天體都做不到,只有兩種天體可以影響到光的傳播。

一種天體是 中子星,它的引力場會 使光的傳播路線出現彎曲;另一種則是 黑洞,它的引力場可以 直接讓光無法逃離

光不受地球的掌控,但是它受到宇宙規則的束縛,它 再怎麼也不可能不歸宇宙管

牛頓帶我們看到了巨觀世界的物體運動,愛因斯坦帶我們看到了高速運動下的物體運動。

光逃離不了黑洞

還有誰?

有人說,已經100多年了,人類的物理還在前人留下來的底子, 仿佛人類的物理學已經發展到了極限

這句話,100多年前的開爾文勛爵也說過,他說完沒多久, 量子力學就誕生了,之后開啟了一個新的物理時代。

牛頓和愛因斯坦隔了近300年,這才過100多年,才哪到哪兒。

并且愛因斯坦的理論也不是嗖的一下就橫空出世的,他也受到了 普朗克、洛倫茨等人的影響和幫助,后來 朗之萬、薛定諤等人幫他完善。

愛因斯坦同時代的物理學家們

并且相對論也不是無敵的,在它那個年代,還有 根本哈根學派與之「敵對」,二者一度「水火不容」,在各種會議上針鋒相對。

這場辯論可以說是將人類的認知 帶入了微觀的世界,這里的一切都 與牛頓的力學世界完全不一樣

按理說,這群科學家們的大腦也不受牛頓管了,棺材板又壓不住了。

并不是,牛頓是這群科學家們在學生時代必須學的知識,他們也非常尊敬牛頓,謙虛地說,他們是 站在巨人的肩膀上摘蘋果

站在巨人的肩膀上摘蘋果

巧的是,這句話牛頓也說過類似的,他說自己的理論是建立在伽利略等人的基礎之上。

所以,物理大師們都不是憑空誕生的, 是一代一代人的不斷進步,甚至修修補補,改正里面的錯誤。

物理的祖師爺亞里士多德就犯過很多錯,后來他的錯誤理論被有心之人利用,成為了禁錮物理學家的存在。

當然,這不完全是亞里士多德的錯,古希臘時代的 物理還沒有和哲學分家,像祖師爺、阿基米德等人都是身兼數職, 既是物理學家還是哲學家

古希臘的科學家

因此,科學發展不能急功近利,對于宇宙來說,光速都是慢的!人類算啥!

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