1.相對論來自牛頓力學(xué)與麥克斯韋場論的沖突，愛因斯坦選擇修改牛頓力學(xué)，保持麥克斯韋場論的研究思路，有何利弊與啟發(fā)？
答：牛頓力學(xué)毫無疑問比麥克斯韋場論簡單普適，至少在19世紀時，包括麥克斯韋在內(nèi)的物理學(xué)家認為分子運動論成功地把熱力學(xué)還原為大量分子運動遵循牛頓力學(xué)的統(tǒng)計系綜，而電磁場論的以太漩渦模型是牛頓力學(xué)在原子的電磁結(jié)構(gòu)水平的完成。
但是，這樣一來，以太靜止的參照系成了牛頓的絕對空間，真空中的光速在不同慣性系中有差別，更不用說加速系中的真空光速的差別了。遺憾的是，邁克爾遜-莫雷實驗證偽了麥克斯韋有關(guān)以太風(fēng)改變光速的推測。
理論探索的新思路是維恩把慣性定律還原為電磁場守恒定律，把加速度定律還原為電磁場與電荷交換能量與動量，引起電荷分布改變的定律。而反作用定律，彭加勒認為電磁場中的環(huán)形力，比如洛倫茲力，電流的環(huán)形磁場等，可能沒有反作用力。但維恩認為反作用定律就是電磁場的動量平衡定律。所以，牛頓力學(xué)在這種表述中不是基本定律，而是麥克斯韋場論的推論。
狹義相對論基于觀察實驗的新證據(jù)，以及電動力學(xué)的內(nèi)在邏輯，保持電磁場論在慣性系中不變，改變牛頓力學(xué)的具體形式包括絕對時空觀，無疑是理智的選擇。因為復(fù)雜理論的改變，涉及的理論要素與實驗事實多，出錯的可能數(shù)不勝數(shù)，歧路重重。而改變比麥克斯韋理論簡單的牛頓力學(xué)，因為理論要素少，需要重新解釋的事實也少，就相對容易，更不容易出錯。
愛因斯坦的這種理論革新謀略，不僅取得巨大成功，而且有廣泛的后繼模仿者。量子力學(xué)傾向于保留黑體輻射定律不變，而改變相對簡單的電磁場論與牛頓力學(xué)的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)。費曼試圖從狹義相對論與量子力學(xué)相結(jié)合的量子電動力學(xué)中，衍生出麥克斯韋場論。簡單的理論，往往是作為復(fù)雜理論的某種近似而被改寫的。
廣義相對論的建立，完全符合保留麥克斯韋場論與狹義相對論在局部慣性系中不變，通過等效原理把慣性力局域地整合到引力場，徹底改變簡單的牛頓萬有引力理論的革新謀略。為了完成這一步，愛因斯坦堅持用光在一段距離中來回的時間作為光鐘的單位，簡單地通過光速把空間與時間聯(lián)系起來。光鐘在相對論中，就是保證電磁場論與狹義相對論的理論要素在廣義相對論中通過局部慣性系，毫無遺漏地進入新理論的構(gòu)造。
在1907-1909年，愛因斯坦利用等效原理初步得到光速在引力場的不同勢能處可變的思想。這里有一個理論線索，就是我們能不能在保持牛頓萬有引力定律盡可能少變動的前提下，依據(jù)引力勢能的變化局部修改麥克斯韋場論與狹義相對論的形式，得到某種引力相對論的新形式？愛因斯坦甚至注意到牛頓萬有引力定律的先驅(qū)——開普勒第三定律不僅符合等效原理，而且與質(zhì)量無關(guān)，時間單位與空間單位可以通過周期平方與半徑立方的正比關(guān)系聯(lián)系起來。
但是，從開普勒星體周期鐘出發(fā)，構(gòu)造新的時空理論面臨更大的理論困難，那就是狹義相對論中的質(zhì)量變化與質(zhì)能關(guān)系，如何通過等效原理改變牛頓引力定律，進一步改變電磁場論與狹義相對論的物理機制與數(shù)學(xué)表述是根本不清楚的。在這個思路中，牛頓引力，電磁場論與狹義相對論在星體周期鐘的時空單位約定下，理論形式如何改變?nèi)渴俏炊ǖ碾y解之謎。于是，愛因斯坦通過自由電梯實驗成功地找到了局部慣性系，在時空的微區(qū)域有了保持電磁場論與狹義相對論形式不變，理論要素完備的局部閔科夫斯基時空。而轉(zhuǎn)動圓盤實驗，提示加速系需要彎曲時空，根據(jù)等效原理，愛因斯坦很快發(fā)現(xiàn)引力場論應(yīng)該是彎曲時空理論。愛因斯坦與數(shù)學(xué)家合作，考慮最周全的是，依據(jù)質(zhì)能關(guān)系，引力能量也應(yīng)該有質(zhì)量產(chǎn)生慣性-引力效應(yīng)。這就是廣義相對論處理引力面臨的引力自作用的非線性困難。
相對論的成功不是沒有代價的，那就是頑固堅持簡單的牛頓力學(xué)框架，修改與否定相對論的各種企圖不斷挑戰(zhàn)。但是，這些努力很可能遺漏了電磁場論的理論要素，從而不能象狹義或廣義相對論那樣，再現(xiàn)各種成功的理論預(yù)言與實驗驗證。特別是，如果狹義相對論錯了，廣義相對論與量子場論也錯了。如果電磁場論改寫了，那么狹義相對論如何改寫？廣義相對論與量子場論如何改寫？各種各樣的大難題就出現(xiàn)。物理學(xué)家一般按照愛因斯坦的謀略，保復(fù)雜改簡單，把從簡單物理原理出發(fā)，挑戰(zhàn)復(fù)雜物理理論的各種探索看成是誤入歧途。
也許，量子場論比廣義相對論復(fù)雜。當(dāng)弦論，圈量子引力等各種量子引力理論成效甚微時，我們是否按照愛因斯坦的革新謀略，堅持量子場論的牛頓慣性系與費曼路徑積分的數(shù)學(xué)結(jié)構(gòu)盡量不變，按照洛倫茲堅持牛頓慣性系的思路，重構(gòu)廣義相對論會帶來量子引力研究的新希望。
聯(lián)系客服
