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宇宙传奇-05

2019-01-04  跋b

宇宙大爆炸传奇-05                                                         

前文说到爱因斯坦有工作了,但恰好这时候传来一个坏消息,那就是他老爸快不行了,他老爸其实不是很老,才55岁就不行了,那没办法,爱因斯坦只好赶回意大利算是见了父亲最后一面。他老爸在临终之前最终还是同意了爱因斯坦把米涅娃娶回来,随后他老爹就去世了。老爹忙忙碌碌一辈子但是连自己孙女都没见到。 

过了一年也就是1903年1月,刚过完年爱因斯坦和米涅娃就完婚了,好不容易结婚了但最后结局不太好,爱因斯坦跟米涅娃结婚是在一种压力和责任的压迫下结的婚,毕竟他们孩子都有了,事实证明这是一个很错误的决定,爱因斯坦自己后来也说这是一种非常失败的方式。结婚之后他们就在瑞士伯尔尼定居下来,爱因斯坦每天去上班,米涅娃就在家当家庭主妇,女儿丢在外公外婆家,小日子过的也还算舒坦。

爱因斯坦家经常来客人,他的那个奥林匹亚科学院经常在他家开会,一帮人就坐那高谈阔论,米涅娃就负责后勤工作,给他们搞饭大家伙一起吃。从那个时候起爱因斯坦就开始深入研究玻尔兹曼的书,书里面有好多知识在苏黎世联邦工学院里见都没见过,毕竟那是个工科院校,说那么多理论知识没意义。玻尔兹曼这个人有必要好好说一下,当时物理学界对物质的构成特别感兴趣,当然了这个话题化学界也是很感兴趣的,毕竟从古代就有了原子说,德谟克利特提出了原子说,就是所有的原子都是由最小的不可分的微粒构成的,在同一时代的那些哲学家比如亚里士多德啊柏拉图啊就说这不对,原子本身的意思就是不可再分,原子分子这东西太小了人的肉眼根本没办法看到,而那时候又没有显微镜,无法证明原子的存在。后来到了工业革命,随着蒸汽机的发展,物理学界就对热力学产生了兴趣,然后就一大帮人搞热力学,道尔顿也不例外,他认为气体就是原子构成的,而且原子之间有弹性,因此气体是可以压缩的。气体的体积和它的压力啊温度啊都有关系。他根据原子学说就对很多化学反应做出了解释。道尔顿是化学家,化学家之前都是药剂师,很多瓶瓶罐罐倒来倒去,有了原子学说之后就变成了一门学科,因此道尔顿被誉为近代化学之父。插个题外话,有次道尔顿买了双袜子给他母亲,他母亲一看这袜子是非常鲜艳的红色就说这不适合老太太穿嘛,道尔顿就很惊讶,他说这不是灰色的吗怎么可能那么鲜艳。一来二去道尔顿就发现自己眼里看到的颜色和别人看到的不太一样,从此人们知道了世界上还有一种叫色盲的病,道尔顿就是第一个被发现患色盲的人,而且是他自己发现的。 

道尔顿

回过头来说玻尔兹曼,他是同意道尔顿的原子学说,但有一个人不同意,他叫奥斯特瓦尔德,他是物理化学的开创者。当时有两个理论,一个叫原子论,一个叫唯能论,这两个理论的阵营吵的一塌糊涂,哲学家马赫就支持唯能论。玻尔兹曼背后的男人就是当时还名不见经传的普朗克,在当时是小人物,普朗克算是大器晚成。虽然玻尔兹曼和普朗克是一伙的,但其实他们的理论并不一致,是存在分歧的,所以玻尔兹曼对普朗克的态度非常不友好。玻尔兹曼是前辈,普朗克是晚辈,普朗克也没啥好说的,不过普朗克心态好,你对我不友好就不友好呗,我自己该干嘛干嘛。而玻尔兹曼渐渐就不行了,他得了抑郁症,情绪非常低落,到1900年他就尝试自杀,结果自杀未遂,最终在1906年成功自杀身亡,算得上是科学史上的一出悲剧,而理论最终赢家也是玻尔兹曼的,到现在原子论已经是现代人的一个常识了。 

那为什么玻尔兹曼如此力挺原子论甚至不惜把自己的命都搭进去呢?那是因为热力学和原子论是密不可分的,到底什么是温度?天气预报天天都在播报气温,普通人天天也都在关心这个物理量,那它到底是什么?气体压力又怎么会和温度有关呢?在玻尔兹曼眼里,气体压力就是微小的原子在不断运动,相互之间撞击,从宏观上看构成了气体持续稳定的压力,但从微观上看就完全不是这样,它不是连续的也不是稳定的,它在不断地变化,温度就代表这个原子运动的剧烈程度,在玻尔兹曼的想法里机械运动就能和热扯到一起去,在那个时代的电磁学领域比如说电动力学、热力学领域,人们都往机械运动上靠,人们认为别看着东西表现如此不同,这是电那是热的,本质其实都是机械运动导致的。热量啊温度啊就是原子在高速运动,电流就是电子在高速运动,电子论是洛伦兹提出来的。那么电磁学和热力学里的运动必然就要和普通物体的运动是遵从相同的规律的,那最后是否可以全部统一到机械运动上来呢?热力学的那几个定律可否用数学方法给计算出来呢?这是当时的一个主攻方向。我们热力学有三大定律,就是能量守恒定律这个大伙都知道,很多人想把永动机搞出来,科学家称之为第一类永动机最后就败给了这条定律。通俗来说就是能量这种东西不会凭空出现也不会凭空消失,反正不管怎么来能量就那么多。热力学第二定律就说能量总是从温度高的地方流向温度低的地方,反过来是不可能的,第二类永动机就倒在这一条定律面前。有人就说啊要是海水降低一度那释放出来的能量就够人类用好多年的了,可是海水凭什么平白无故给你降温啊,所以这是不可能的。热力学第三定律就是绝对零度无法通过有限次操作达到,想降到绝对零度那是门都没有。.这个理论非常重要,因为这条定律很有可能是宇宙监督者,这宇宙监督者是啥呢?等之后讲到彭罗斯的时候再说这个问题,讲到黑洞与奇点的时候会再提到这个定律。其实热力学还有一个第0定律,第0定律很好理解,就是热平衡,A与B热平衡,B与C热平衡那么A与C也就热平衡。

爱因斯坦开始琢磨热力学第二定律了,他就想能否通过数学方式推导出第二定律,一开始他推出来自己觉得不满意,后来深入研究了玻尔兹曼常数发现这个数不简单,背后有玄机。他就把自己的论文发表了,他这篇论文一发表就代表他不再是一个业余的科学家了,他以前一直专利局的这种物理学家,但不算是一个科学圈里所接受的人物,这篇论文一发表他就算的上被科学圈接受了,他就有资格可以和那些专业的科学家坐在一起对话了。后来他研究下去发现计算热运动那些个函数用电磁辐射也可以,他就很开心,继续研究下去他就得到了一个很熟悉的公式,就是之前讲到的维恩计算出来的短波辐射公式。爱因斯坦开心死了。原来啊,维恩是根据实验数据凑出来的一个公式,而爱因斯坦是自己实打实把它算出来了。 

在1904年爱因斯坦算不上特别高产,之前几年他脑子都在那想问题。在这一年发生了一件事,就是洛伦兹发现麦克斯韦的电磁理论是存在缺陷的,缺陷就是它没规定参考系,那如果说在不同的参考系里又会发生什么呢?按照麦克斯韦的电磁理论,那光速将不再是一个恒定的值,但是根据麦克尔逊莫雷实验,实验证明了光速是一个恒定不变的值,这就出现了矛盾。洛伦兹就头疼了,心想这个事怎么打补丁好,于是他推导了一个公式就叫做洛伦兹变换公式。其实这名也不是他起的,他自己也不好意思把自己名字往里面放。他说光是在以太里传播的,现在光速是不变的,这只能说明相对以太运动起来的物体就会发生收缩现象,相对以太收缩,那光跑的越快缩的也越快。别人一听头都大了,心想怎么以太还有这种脾气让人捉摸不透啊,它能传播光速那也是够硬的了,但是以太我们看不见也摸不着,横穿整个地球都没点感觉,现在又说有收缩特性。别人就说这以太到底是啥玩意儿啊,性质怎么这么古怪。 

洛伦兹在电磁学方面的工作就完成了,他打了一个补丁以至于让麦克斯韦方程组不至于穿帮露馅,结果另一边又有一个人不干了,他就是法国数学界的泰斗庞加莱。庞加莱最著名的学术成果就是三体问题,为什么说著名呢,因为它很通俗。刘慈欣写了一套书叫《三体》让无数科幻迷为之倾倒,所以三体问题才如此著名。庞加莱在三体问题上做出了不少贡献,他一个数学家搞物理纯属玩票,不过那时候数学和物理之间的关系是越来越紧密了,物理界干啥都离不开数学界的帮忙,庞加莱就得到了一个和洛伦兹差不多的结果,当然了庞加莱的数学水平比洛伦兹还要好,庞加莱还把洛伦兹弄出来的变换公式命名为洛伦兹变换,洛伦兹不好意思拿自己名字命名,庞加莱一看你贡献最大那还是拿你名字命名吧。

大刘的三体

庞加莱在1905年就发表了自己的论文,他们和爱因斯坦的区别就是他们都没有抛开以太这个概念,爱因斯坦比他们牛就牛在他能率先把以太抛弃掉。其实爱因斯坦从小就喜欢琢磨这些东西,他从阿劳中学开始思考如果人能跑的和光速一样快那他到底能看到啥呢?其实他小时候的这个想法就是个大的思想实验,那时候爱因斯坦只有16岁。洛伦兹和庞加莱的这个论文不知道爱因斯坦看到没有,但是他自己把自己关屋里闷头把洛伦兹公式给推导了一遍,这个推导有一个前提,那就是认同绝对时空是不存在的,一切都是相对的,因为还是以太,以太是不动的,光都在以太里面跑嘛,洛伦兹的计算还是以以太为参照物,所以相对于以太的长度它就缩短了,但是爱因斯坦觉得用不着,根本用不着假设有以太照样没问题,那既然以太不是必须的那计算里就没有一个绝对的参考系了。这就是第一个假设,就是一切都是具有相对性的,然后第二个假设就是光速不变性,那爱因斯坦为什么假设光速不变呢?这就是爱因斯坦的过人之处,既然光速不变那他就把这个当做一条公理来用,当做一个已知条件来使用,这就是推导的前提。在爱因斯坦有了前面两个假设之后他就举了个例子,说明在光速不变的情况下绝对的时间就已经不存在了,时间取决于观察者。他是这么说的啊,他说在一列飞驰的火车上,这时候打雷了,这个雷同时打到火车的车头和车尾,那么对于在地面的观察者来说他是看到车头车尾同时被打中的,而这时候在火车的正中间也有一个观察者,车头和车尾到他的距离是相同的,火车在往前开,光速又是不变的,所以光从车头走到中间观察者距离要比车尾走到观察者距离近,所以对于观察者来说雷打中车头和车尾是一前一后两件事,它们不是同时发生的,这就是爱因斯坦的杀手锏--思想实验。根据这个思想实验,爱因斯坦就说绝对的时空观是不对的,因为观察者不同所以时间观也不同,这样同时性就不存在了。有了这个思想之后眼前豁然开朗,一个新的物理学时代就到来了。爱因斯坦接下来就推导出和洛伦兹一样的变换公式,但是比洛伦兹干的还要漂亮。现在变换工具有了,就进行下一步,下一步就是推导整个运动学体系。过去的运动学体系是建立在伽利略变换的体系之上的,中学物理一开始就讲运动学,一开始就说了什么是速度什么是距离,它们之间的关系是怎么样的,然后匀速运动、变速运动怎么算距离时间之类的,这些就是伽利略变换,也是牛顿力学的基础。现在伽利略变换不好用了,就要用洛伦兹变换来代替它,这样整个体系就建立起来了。爱因斯坦一直推一直算,最后就得到了那个最著名的公式,就是E=mc^2。这个公式的名气那是太大了,是个人就知道这个公式。爱因斯坦的论文页数不是很多,但是还是把审稿的吓到了,这论文写的太好了。

1905年是爱因斯坦的高产年,他一年写了21篇论文,其中有几篇是非常出名的。第一篇是讲光电效应的,第二篇是讲有关计算原子大小的,第三篇讲布朗运动,第四篇就是刚刚说的那篇论运动物体的电动力学,也就是狭义相对论。这一年爱因斯坦才26岁。我们来挨个说说这几篇论文为什么厉害,第一篇的光电效应让爱因斯坦拿到了诺贝尔物理学奖,第二篇让他得到了苏黎世大学的博士学位,之前一次申请结果别人大学不批,爱因斯坦自己又把论文拿回来了,这一次的论文含金量非常高,苏黎世大学就把博士给他了。第三篇让爱因斯坦成了统计力学的创始者,第四篇就是相对论,不仅是科学界的地震,也把哲学界给搞地震了,因为哲学的机械自然观直接被爱因斯坦判了死刑,这些辩证法胜利了,理论物理经常是和哲学扯到一起的。

爱因斯坦这一下直接一炮而红,扬名立万,而到了后面一年他就只发了一篇论文,当然了他也并不是闲着没事干,毕竟他现在是名人了各种社会活动是必不可少的,这就让他成了物理学界一颗冉冉升起的新星。那之后会发生什么呢?他的理论是否还需要打补丁呢?请看下回分解。

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