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聊聊狭义相对论-第2章

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是常说的,以自己为静止参考系),而是手机在动,地下的王五也人之常情地觉得自己不动,是车在加速。所以,我们看到的就有所差别了。 
    对了,还有一个问题,我们和王五,一方觉得牛顿似乎是错了,而另一个却继续“顶”他,Why?是的,问题就在这里,惯性系就出现在这里。恩,凡是认为牛顿定律是不正确的就是非惯性系,而觉得牛顿定律没问题的就是惯性系。因此,我们是非惯性系,而王五是惯性系。注意到了没有,我们是在加速的,而王五是静止的,所以,以后,我们可以简单地认为,惯性系就是静止或在做匀速直线运动,非惯性系则是做变速运动的。而至于“惯性系”“非惯性系”,那是物理学家的学术叫法,我们就将就将就,通俗一点算了。 
    还有,“力学实验”,我们知道,我们身边的物理现象很多很多,像电呀,光呀,温度呀,等等。而我们的力学实验则是指那些没有涉及到电呀,磁呀,热呀这些的实验,而只在力的范围内的实验,比如说,伽利略的斜塔的放开两个铁球的实验(当然,这其中我们不考虑铁球的带电、温度……),就是力学实验。 
    是的。比如,在张三的惯性系中,我们松开手,没错,铁球3秒钟着地。然后,我们到王五的惯性系,在同样的高度松开同样的铁球,是的,它也是3秒钟到地。这两个“3秒钟”,也就是实验结果是一样的。 
    没错,伽利略相对性原理说的就是这意思。看吧,其实,物理定律也不过如此嘛。伽利略相对性原理其实还可以数学化,也就是说,伽利略相对性原理还可以用数学式子去写,期待吗?咱们后面再说。 
    说了那么多,无非是要说清楚相对论历史中的“伽利略相对性原理”这个主角,我们还要继续走。 

好,回到伽利略的身上。别忘了,前面说到他接过了哥白尼手中的接力捧,声援“日心说”。不错,1609年,伽利略自己制作了一架天文望远镜,还用它观察到了月球表面凹凸不平的地形,看到了土星的光环、太阳黑子等天文现象,并于1610年发现了木星的4颗卫星。几十年磨一剑,经过艰辛的观察和计算,伽利略渐渐坚信“日心说”是正确的,并写下了科学史上的一部巨著——《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。说起来这本书也有点黑色幽默的感觉,这本巨著本来目的是声援“日心说”的,但是伽利略却巧妙地运用对比的笔调,乍一看似乎是在支持托勒密的观点,更令人惊讶的是,这本书竟取得教会的允许并出版,伽利略就是伽利略呀!不过,后来教会还是发现了这一错误,禁止了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》的出版,将其列入“禁书”行列,并开始对伽利略罗列罪名,进行迫害,而最终伽利略还是难逃那个时代里英雄的宿命,在监牢中度过一生,于1642年1月8日与世长辞(而这一年,牛顿来到世上,而300年后的这一天,霍金降临;或许这是薪火相传吧,留下了科学史上的一段佳话。)。 
    话说伽利略开始支持“日心说”,到处去贴大字报——“支持‘日心说’是每个公民的权利和义务”“跟着哥白尼,永远闹革命!跟着哥白尼,世界一片红!”“以‘日心说’为纲”…… :) 
    伽利略的望远镜,成为了其他天文学家有力的武器,他们纠集力量,坚持革命的方针,以“农村包围城市,群众包围教会”的路线,在人民群众中宣传“日心说”,向“统一战线”开火。 
    不管“地心说”还是“日心说”,都认为天体运行的轨道是绝对的圆周。但是,历史很快就翻开了新的一页。丹麦天文学家第谷毕其一生心血,筚路蓝缕,却没有真正见到他的观察数据放出光芒的那一天。(那个时代呀,搞科学……哎——)临终前,他把其所有的数据结果交给了一个从异国赶来求学的学生,这就是即将名垂青史的德国人开普勒。而历史也将证明,第谷没有看错人。开普勒踩在“巨人”的肩膀上,有了老师的一手资料,再加上他的出众的智慧,观测、计算、分析,以及非凡的数学能力,成就了他的辉煌。开普勒发现天体并非做圆周运动,而是做椭圆形运动!这样就向前大大迈进了一步。 
    之后,他还提出了后世以他的名字来命名的开普勒三定律,从而加入伽利略的行列,不仅支持“日心说”,还进一步完善了“日心说”。时代发展到了这时候,“日心说”已是进步的潮流,革命的思潮席卷大地,终归有一天,它将把“地心说”丢进历史的垃圾桶,将发出耀眼的金色光芒,将成为人类思想的主流,将成为人类思想的一笔财富。 


历史又翻开了新的一页,物理学也匆匆向前发展。在伽利略的惯性定律的基础上,法国一位先锋笛卡儿又踏出了一大步。我相信,笛卡儿,大家一定是熟悉的,要是没了他,咱们就不用辛辛苦苦学习数学上那么boring的解析几何了,不是吗?(^_^)将直线变成方程,代数描述几何,就是由他一手建立的。这样一位天才,不仅数学上建树辉煌,后无来者,物理学上同样留下了他的印记。 
    关于笛卡儿,有这么一个美丽而浪漫的故事(关于这个传说,它几乎是不可信的,里面漏洞很多,可能是捏造的。不过,作为一个科学家的故事,它跟牛顿与苹果的故事一样,可以激起很多的震撼和感叹,它甚至可以吸引住人们,使大家喜欢上本来就枯燥的数学。从这个角度来说,它功德无量。这也是我要聊聊它的原因。对于那些希望究其虚实的朋友,可以在互联网上查找相关文章。)。 
    话说17世纪,黑死病噬虐法国,笛卡儿不得不逃离这个生他养他的国度,背井离乡,沦落到瑞典当乞丐。一日,在某个市场,有一群少女经过,其中一名少女发现他的口音不像是本地人,于是她对笛卡儿非常好奇,于是上前问他:“你从哪里来的啊?”“法国。”“那你是做什么的啊?”“研究数学的,数学家……”然而,这个少女不是别人,她叫克丽丝汀,18岁,是一个公主,她与众不同,相当喜欢数学。当她听了笛卡儿的介绍,非常惊奇和兴奋,于是把笛卡儿请入王宫,当她的老师。而笛卡儿将自己的心血解析几何,亲自传授给了克丽丝汀。俗话说“日久生情”,随着时间的推移,两个人竟然喜欢了对方!这对于皇室来说,是万万的不可以。一个金枝玉叶怎能嫁给一个穷困潦倒的数学家呢? 
    于是,生气的国王一怒之下,赶走了笛卡儿,并软禁了自己的女儿。笛卡儿回到法国,不久就染上了黑死病,他不断地给公主写信,但是,信件都被国王截收了,克丽丝汀实际上一直都没有看到笛卡儿的信。最后,在笛卡儿生命的最后一刻,他寄出了他的第13封情书,上面只有一条式子: 
    r=a(1…sinθ) 
    国王发现并不是一如往常的情话,很是奇怪。国王自然看不懂这条数学式,不过城里的所有科学家也都无人能够明白信的含义。于是国王无奈之下,把信交给了克丽丝汀。当克丽丝汀一看这封信时,高兴地跳了起来,因为她知道她的爱人还在想念她! 
    实际上,r=a(1…sinθ)这条式子是一条极坐标方程,正是笛卡儿的解析几何中的内容。笛卡儿把解析几何的知识教给克丽丝汀,当时可以说,也大概只有他们两个人精通,这也难怪其他的科学家无人能解,看来,笛卡儿没有看错人。而这一条方程,如果画成图像的话,它正是大名鼎鼎的“心脏线”。心!诸位,不用我说,你们也一定知道公主为什么那么高兴了吧! 
    多年后,国王驾崩,公主继位。当公主再派人去寻找笛卡儿的时候,笛卡儿早已由于黑死病魂归天国了,哎, 
    公主有情, 
    苍天无意。 
    两情长久, 
    情书玄机。 
    阴阳两隔, 
    世传佳迹。 
    这就是数学中著名的“第13封情信”的故事,现在,这封神奇的情书依旧保存在欧洲的笛卡儿的纪念馆里。或许,现在,笛卡儿正跟自己心爱的公主在那遥远的天国相聚吧,而这也给我们留下了一段浪漫而美丽的爱情故事。 
    要是说这封情书,那一定是世界上最有创意的情书。 
    要是说这个故事,那一定是世界上最能感人的故事。 
    是呀,数学也并不总是那么的枯燥无味,它还是挺甜美、感人的;数学式子也并没有那么的恐怕深奥,原来它还可以“情意绵绵”呀! 
    当我们在学习难懂的解析几何时,别忘记大师笛卡儿曾经给我们留下了一段动人肺腑的“梁祝”式的爱情佳话。让我们向他脱帽致敬!我们伟大的数学家!我们伟大的物理学家!我们伟大的旗手!我们伟大的先锋!我们伟大的王子! 


我们来看看笛卡儿所留给物理学的一笔财富。 
    伽利略之前,所有的人们都支持亚里士多德关于物体运动的观点,那就是,力是维持物体运动的原因。打个比方说,网球被击出去后,之所以能够向前运动,是因为不断受到一个向前的推力。然而,到了伽利略后,他发起了挑战。他觉得亚里士多德的那个推力似乎不存在。通过他那经典的综合运用实验、思维结合数学的手段,提出了一个理想实验,从而指出原先运动着物体在没有受到力的情况下,将以恒定速率运动下去,力并非维持物体运动的原因。是的,这将是赫赫有名的惯性定律。在这里,伽利略的那个实验我就不说了,太逻辑的东西有时得花太多的时间,我们略过这个实验,也无大碍。 
    注意,伽利略只是指出物体以恒定速率运动下去,而没有说它的路径是怎样的,是直线的呢,还是曲线的?而笛卡儿留下的遗产就是解决了这个问题。他嘿嘿道:那个物体将以直线运动! 
笛卡儿第一次较为完整地描述了惯性定律,在物理学
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