配色: 字号:
1905:爱因斯坦怎样创造奇迹
2015-01-24 | 阅:  转:  |  分享 
  


1905:爱因斯坦怎样创造奇迹



?????????????????????????????????伦敦大学学院科学史和科学哲学教授阿瑟·I·米勒,将爱因斯坦与毕加索放在一起审视、欣赏并比较,他认为这二者的名字在全世界是高度创造力的同义词,因而撰有《爱因斯坦·毕加索》一书,其中译本由上海科技教育出版社于2003年8月出版。现节选其第六章“奇迹年:爱因斯坦是如何发现相对论”的一部分刊出(本文标题为编者所加)。?????从1905年3月17日始,在6~8周的时间内,爱因斯坦给《物理学年刊》提交了3篇论文,它们刊登在该期刊的第17卷上。在这3篇杰作中,最伟大的是狭义相对论。这一章将探讨爱因斯坦是如何发现它的?

庞加莱和1905年的物理学???在与奥林匹亚科学院的成员讨论庞加莱的著作时,爱因斯坦入迷地注意到了这个哲学大师解析洛伦兹电磁理论的方式。庞加莱带着极大的兴趣跟踪着洛伦兹理论,从1892年它一出现便如此。在相互竞争的电磁理论中,只有洛伦兹的理论与庞加莱对科学统一的追求相一致。尽管洛伦兹的地方时能够把不太精确的以太漂移实验的失败解释清楚,但庞加莱把这个理论看成仅仅是满意的,因为它不能恰当地解释迈克耳孙-莫雷实验的失败。专门用来解释这种失败的洛伦兹收缩假说,在庞加莱看来,是一种人为安上的、没有讲出任何物理意义的随意的规定(arbitraryfix)。在《科学和假说》中,他颇带讽刺地怀疑是否一旦有人做出一个更准确的以太漂移实验时就需要更多这样的规定。他评论道,“我们最不缺少的是假设。”当时的情形与托勒玫(Ptolemy)以地球为中心的宇宙越来越相似:每当新的视像被发现时,它就要求不断地导入新的本轮。???在1905年,以太是电磁理论不可分割的一部分。物理学家们试图在运动的地球上测定光速中发现蛛丝马迹的变化,但屡遭失败,这让物理学家们感到难堪和迷惑。以太即使是不可探测的,它也必须存在,以便支持光波的传播。然而,即使像庞加莱一样,不是一个严格的实证主义者,实验资料仍是十分重要的,因为“实验是真理的惟一来源”。???人们所测的光速总是一样的,就像地球在以太中是静止的一样。但是地球进行着好几种运动。人们提出了各种假设用于消除所预测的地球通过以太时所导致的光学效应,这些假设在低阶准确度的实验中是管用的。尤其是洛伦兹的地方时坐标假设,就像一个神奇的魔术棒一样。“地方时”由两项组成。其中之一就是物理学中使用的“通常时间坐标”,而另一项依赖于时钟的相对运动。通常的时间坐标即人们从时钟和怀表上读到的时间似乎总是一样的,我们和其他人之间做相对运动。另一方面,依赖于相对运动的一项又太小,以致不能观测到,因而不配成为物理实在。???洛伦兹、庞加莱和所有其他物理学家认为地方时之所以有用,完全是为了从数学上提供一套取消没有观测到的预测效应,简而言之,解释以太漂移实验的失败。真实的时间不管其相对运动如何对所有的观察者都一样。这将被证明是错误的:他们被他们基于感官感知的直觉所误导。爱因斯坦将认识到洛伦兹的地方时不仅在数学上是正确的,而且在物理上也是正确的。但是这需要超越感官感知的勇气。???迈克耳孙和莫雷声称他们的实验是准确的,这对洛伦兹的电磁理论是一个严重的打击。对这一说法的关心导致有些评论者认为爱因斯坦在1905年发现相对论是对这个实验失败的直接反应。爱因斯坦本人所作的评论导致了对这种看法的支持。这是一个在科学基础方面的深入问题,因为它关系到了实验数据和科学发现的联系。???实际发生的事情更为复杂。有时爱因斯坦所作的评论有赖于他讲话的场合或别人提问题的方式。客观的历史事实是:爱因斯坦在1905年前已研究过迈克耳孙-莫雷实验。他自己在差不多50年后所作的评价可能是最准确的:“著名的迈克耳孙一莫雷实验对我的思考的影响是相当间接的。”完全和公正的历史研究支持了爱因斯坦在差不多50年后所作的陈述。此外,如果有人相信一个像相对论这样复杂、这样漂亮的理论是从某个单一的实验而来的,这只能让爱因斯坦恼怒不已。???1981年,我对爱因斯坦在1905年6月底把相对论论文提交给《物理学年刊》时肯定读过的、很有可能读过的以及可能读过的书、研究论文和期刊作了一个系统的分类。其结果是爱因斯坦从未与外界失去联系。在1896年至1900年间,他能使用瑞士联邦工学院的图书馆。在令人沮丧的1900年至1902年间,苏黎世的图书馆经常——尽管不是永远——对他开放。从1902年开始,他在专利局工作,可以用专利局自己的图书馆以及伯尔尼大学的图书馆。在这些图书馆里他为自己的研究搜寻有关的文献。作为一个游离于学术主流之外的人,爱因斯坦有选择地阅读,但足以了解物理学研究中的主要趋势。这个信息是非常重要的,因为相对论的论文没有引用任何科学文献。他肯定不是不知道迈克耳孙一莫雷实验,但有更广泛的关注。???尽管庞加莱相信在实验数据与理论之间存在着密切的联系,但他对待实验数据的方式是极端复杂的。然而马赫及其实证主义学派的追随者把科学看成是事实的概要,数学仅仅是一种分类的手段。庞加莱不同意上述说法:“事实的堆积并不是科学,正如一堆石头不是一座房子一样……。最重要的是,科学家必须能预测。”???实验室数据的特征发生了变化,尤其是放射性、x射线和阴极射线的效应很可能是由原子和电子这样一些看不见的实体引起的,这激起了庞加莱的极大兴趣。然而,1902年他仍然坚持原子——这个实证主义者与反实证主义者争论中的causecélèbre(著名的原因)——不可能被承认为某种程度的物理实在。“这类假设,”他写道,“只具有隐喻的意义。”???然而,爱因斯坦不知道的是,到1905年庞加莱改变了自己的看法。洛伦兹理论令人惊讶的成功那时已使物理学家们提出,它应该是对所有运动物体的一个基础理论。这个纲领性的研究成果被称为“电磁世界图景”。其目的是想解释电子质量是如何通过由自己的辐射反作用于它自身产生的,而且最终能将牛顿的力学理论从洛伦兹的电磁理论中推导出来。“其程序如下:先在电磁理论中增加假定用以描述某种特定的电子,然后做实验检查这个电子是否真如所描述的那样运行。洛伦兹选择用一个带有电荷的弹性球——就像气球一样——来描述电子。当它运动时,它就经历一个洛伦兹收缩,变得像枕头一样扁平,其长轴指着与运动方向成直角的方向。这种混杂的电磁理论观点就是洛伦兹的电子论。它得出了电子质量的预测,该预测与德国科学家考夫曼(WalterKaufinann)所获得的高速电子的实验数据相比,被认为是对当时占统治地位的理论的响亮支持。考夫曼的实验当时被誉为绝对经典。事实上今天已无人知晓考夫曼为何许人也;他的数据误导了人们。”???尽管了解这种有关电磁世界图景的研究,爱因斯坦还是更感兴趣于庞加莱在《科学和假说》中对物理学的概括。按照庞加莱的观点,物理学面临着3个紧迫的根本问题:以太漂移实验;被称为“光电效应”的紫外光从金属中释放电子的特定方式;以及被称为“布朗运动”的花粉粒子和尘埃粒子在显微镜下的奇怪的运动。爱因斯坦对这3个问题感兴趣的原因在于,在1905年早期,只有他一个人知道电磁世界图景是一个怪物(chimera)。到了6月底,他就以一种崭新和令人惊讶的方式解决了所有这3个问题。

献花(0)
+1
(本文系深情厚谊360...首藏)