19世纪物理学天空中的两朵乌云之狭义相对论 这表明在牛顿看来时间与空间是绝对的,是一个相互独立又与外事万物无关的。 时空的绝对性正是整个经典物理学的基础,然而这正是问题的所在,必将导致整个经典物理学的倒塌,取而代之却是天空飘浮着的两朵乌云。 在这里,我们不把它当做一组烦琐的数学方程来读。因为与其说它是一组方程还不如说它是一首诗歌。其对称性达到了极致。电生磁,磁生电,并预言电磁波的存在。1887年赫兹首次在实验室里证明了电磁波的存在,很快,马可尼在英国实现了无线电通信,预示着的电磁波时代的来临。如今,无线电成为我们生活中极其重要的一部,手机,互联网,雷达,卫星······没有无线电,我们很难想象我们今天的生活会是什么样子。正当人们惊喜于这样伟大的发现,以为物理学到此就走向了完结,后人所要做的就是一些修修补补,然而新的问题又出现了,人们发现麦克斯韦方程中推出来的光速c不满足相对性叠加原理······本想借助以太学说弥补,然两朵乌云出现了,第一朵便是迈克尔逊—莫雷实验给出了一个另人出乎意料的结果,实验测得的0.01条移动条纹与理论上的0.4条相差甚远,显然这是物理学家们不愿看到了,第二朵乌云则与黑体辐射有关。令人想不到的是,两朵乌云竟如此强大,导致了大厦的轰然倒塌。 聊聊以太,以太是什么?没有人知道,首先是由笛卡儿提出来的,他认为虚无的空间是不存在的,宇宙间到处充满了以太。但是牛顿不支持光的波动学说,他认为光是一种粒子,后来以太也就被冷落了。到了19世纪,人们看到了光的干涉、衍射等现象,以太得到了新生,此后波动学说成为了主流,尤其在麦克斯韦发表了他的绝句之后,以太的身份问题引起了注意。于是测量“以太漂移”的浪潮席卷天下,其中迈克尔逊-莫雷实验最为出名,结果让所有人大失所望。 为了解决天空中的第一朵乌云,解释迈克尔逊-莫雷实验,有不少人做了很多工作,取的成果却是甚微,虽然洛伦兹给出的洛伦兹变换能够较为合理的解释迈克尔逊实验但与其他理论冲突。看来在旧的框架下来驱散天空中的第一朵乌云是不大可能了。大多数物理学家为此而感到沮丧。 可能以太的引入根本是一个错误,一个微弱的声音从远方传来。他就是恩思特·马赫。他在莱比锟出版了一本名留青史的著作——《力学及其发展的批判历史根概论》。在书中首先肯定和赞美了牛顿的工作及力学体系的明晰性,然后给出了有力证据,客观中肯的对经典力学的基本概念和原理提出了质疑和批判。其中最出名的一节要数对牛顿绝对时空观的批判。 在书中他提到:“绝对时间无法根据比较运动来量度,因此,它既无实践价值,也无科学根据;没有人能提出证据说他知道有关它的任何事情。它是一个形而上学的概念。”大胆的否定了牛顿的绝对时空观。 这常被人用来跟日后的爱因斯坦提出的“光速不变原理” 相比较,虽然两者还是有区别的。稍后就会知道。 另一支异军就是爱因斯坦了,在谈爱因斯坦之前首先得讲讲他的妻子米列娃,有人说狭义相对论的发现权当属米列娃而不是爱因斯坦,在我个人看来这种说法有点站不住脚,假如狭义相对论是由米列娃来完成的,那么狭义相对论的后续工作—广义相对论怎么就由爱因斯坦一个人单独来完成呢。所以我更愿意去相信狭义相对是由爱因斯坦来完成的,或许米列娃在其中帮助过爱因斯坦是有可能。狭义相对论的发现权还有人认为是庞加莱或者洛伦兹,这更是谬论。现在来看看达里戈尔的观点,“爱因斯坦和庞加莱都提出了相对性原理,都假定光速不变在同一惯系中是一样的,还认为不同惯性系的观测者所得到的空间和时间坐标可以通过洛伦兹变换互相转换,也意识到麦克斯韦方程组在洛伦变换下保持不变,并且所有物理学规律都应满足这一性质。” 至于他们不同之处,达里戈尔指出,爱因斯坦完全放弃了以太,而庞加莱则没有,对时空的认识爱因斯坦更胜一筹,完全突破了传统的束缚,所以狭义相对论的发现权当数爱因斯坦。撇开这些争论,让我们走近狭义相对论。 第一条显然是对伽利略相对性原理的推广,然而要满足的变换就不再是伽略变换,而是洛伦兹变换,伽利略相对性原理说的是“力学规律”,它不包括麦克斯韦的电磁学规律。大自然应该是不会偏心的,它对所有物理学规律应该一视同仁。为什么力学规律可以得到如此待遇,而其他规律则不行呢。于是爱因斯坦大笔一挥,将“力学规律”换成了“所有规律”,并采用洛伦兹变换,得到更加普适的相对性原理。并且将时间与空间联系起来。 3长度收缩 4洛伦兹速度合成公式 5因果律 以上五点推论由洛伦兹爱因斯坦变换公式得到。 由洛伦兹速度合成公式还可以导出质速关系,这直接得到了实验的验证,又由质速关系可以推出著名的质能关系:E=MC2。 接下来我们来看看闵可夫斯基四维时空。闵可夫斯基是爱因斯坦的大学老师,为了将时间与空间更加完美的统一,他从数学考虑将时间t乘以一个常数c变成空间的单位,并且考虑到对称性再乘以一个虚数单位i,将时间与空间完美的放在了一起,从而形成四维时空,并取名为“world”,进一步完善了狭义相对论。 到此狭义相对论的发现之路基本完成。 纵观狭义相对论的发现之路,并不是一帆风顺的。其中艰辛只有身在其中才能够真正体会。然而那些伟大的物理学家从来都没有在乎,他们真正追求是宇宙的本源,并为此默默奉献一生。 |
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