征文大赛|时与空的简谐之歌

经过层层筛选，石头科普工作室秋季征文大赛终于进入了大众评审环节！

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大众评审分数将占最终分数的50％！请各位积极投出自己宝贵的一票哦~

另：为保证本次大赛的公平，所有入选稿件将不做任何修改，并使用统一模板进行美编。

今天的稿件是由熊宝霖同学为大家带来的《时与空的简谐之歌》，请各位看完后不要忘记投票哦~

2020年10月6日，诺贝尔物理学奖授予给罗杰·彭杰斯，“因为发现黑洞的形成是对广义相对论的有力预测”。而在此之前，同样获得了诺贝尔物理学奖的引力波的发现，也证实了爱因斯坦在100年前的预言。爱因斯坦，这个一提起来就让人不自主的与天才、传奇等词语联系在一起的名字，他与他的相对论在经历过历史长河中的重重检验之后，越来越散发着无与伦比的智慧的光芒。

爱因斯坦的一生，要分成两部分来写。在前一部分，他庸庸碌碌，在瑞士专利局做着低等专利技术员的工作，平淡的好像就要这样过完一生；在后一部分，他一战封神，在1905年一年的时间里，发表了四篇在整个科学史上都举足轻重的论文，包括最广为人知的方程以及狭义相对论。爱因斯坦提出的相对论的意义，不仅仅局限于物理学上又多了一条解释时间与空间关系的假说，而是真真切切的改变了我们所认识的世界。可以说，人类对宇宙的认识从爱因斯坦提出相对论开始，被分成了两截。

青年时期的爱因斯坦

在爱因斯坦的相对论提出之前，一直是牛顿的绝对时空观统治着世界。即时间与空间是两个独立的互不干涉的观念，他们之间没有联系，分别具有绝对性。这个理论是如此的简洁、美妙与正确。完全契合人们在日常生活中所获得的经验。人们以为物理大厦的框架已然建立，之后要做的只是一点点的向这个大厦中舔砖加瓦，任何向这个大厦发起挑战的行为都被视为愚蠢的。

在1887年，物理学家迈克尔逊和莫雷一起在美国的克利夫兰做了著名的“迈克尔逊-莫雷实验”，其目的是验证空间中“以太”的存在。而“以太”则是牛顿所建立的体系中所确立的绝对静止的参考系。当时的人们都期盼着用“以太”的存在为这座物理大厦添上最后一片瓦片。验证以太存在的原理和实验也很简单，人们已经知道光在以太中的传播速度是30万千米每秒，那么由于地球在以太中的飞行，我们在地球上观测到的沿着飞行方向与逆着飞行方向的光速应该是有差别的。只要观测到了这个现象，就能说明以太的存在。如下图所示，就是“迈克尔逊-莫雷实验”的实验原理图。

迈克尔逊-莫雷实验原理图

即将一束光源分成两个不同方向上的光，根据速度合成关系，这两束光在以太中运动的速度势必会有差别，那么他们最终射到干涉仪上所形成的干涉条纹也一定会与原本的干涉条纹有差别。并且，转动整个实验装置，即调整光在以太中运动的角度，一定也会对干涉条纹产生影响。但实验证明，干涉条纹并没有发生任何变化，实验失败了。牛顿的物理大厦的最后一块砖竟然成了压垮它的最后一根稻草。

在这个实验之后，人们一时还不能接受统治世界两百多年的理论是错误的。一时间，各种解释这一实验现象的假说层出不穷，试图解释以太仍然是存在的。而这些假说无一不使理论变得更为复杂莫测。爱因斯坦从迈克尔逊-莫雷实验最直接的结论中推导出了光速不变原理，即光速与光源的运动速度无关，对于任何参考系来说，光在真空中的传播速度都为c。紧接着，根据光速不变原理，爱因斯坦又推导出了第二个原理，及在任何惯性系中，所有的物理规律保持不变。根据这两个原理，爱因斯坦提出了同时性的相对性，以及著名的时间膨胀效应和长度收缩效应并提出了新的速度变换公式，这即是爱因斯坦的狭义相对论。然而，爱因斯坦对简洁性和普适性的追求是近乎严苛的。既然物理规律在惯性系中保持不变，那么在任何参考系下呢？通过两年的思索，爱因斯坦提出了等效原理。即引力和惯性力在物理性质上是完全等效的。等效原理的提出，使相对论适用于所有的参考系下运动的情形，即自然定律在任何自然体系中，都可以表示成相同的数字形式。相对论的提出彻底的改变了人们对于时间与空间绝对性的认知，人们发现时间与空间再也无法独立的存在了。基于相对论，人们提出了时空这一概念，来重新定义我们所存在的世界，时与空也终于第一次交汇在一起，形成了一曲扣人心弦的旋律。

物体在时空中的运动

人类对宇宙的探索是没有止境的。时间与空间，这一看似永恒的不变的存在，在物理学家超人的智慧中，与形象的解释中，也变得生动起来。从最开始对宇宙“天地者，万物之逆旅；光阴者，百代之过客”这样最朴素的思考，到逐渐认识到时间与空间密不可分的关系，甚至于在目前超弦理论中，我们存在于一个十维宇宙之中。也许就算没有爱因斯坦，也会另一个爱果斯坦或什么斯坦出现；也许就算没有相对论，也会出现一些别的理论去解释那些我们无法理解的现象。因为科学总在追求简洁与美的道路上，在追求真理的道路上，在追求属于科学的简谐之歌的道路上。

参考文献：

《时间的形状：相对论史话》 2017.04 汪洁

《爱因斯坦和相对论的故事》 纪录片 https://b23.tv/ep245774

《爱因斯坦》 纪录片 https://b23.tv/c3S2Ww