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19世紀(jì)物理學(xué)天空中的兩朵烏云之狹義相對論

    博主按：此文來自網(wǎng)絡(luò)，作者不詳。行文筆調(diào)輕松幽默，類似于有趣的科普文章。但文中關(guān)于伽利略、牛頓等人的史實(shí)，還有待進(jìn)一步求證，至少有反駁的證據(jù)。另外，此文基本把狹義相對論出現(xiàn)的背景交待清楚了，還是值得一讀的。

    上下五千年，縱橫五萬年，看看那歷史的星空，悠悠的飄著的兩朵烏云，狂風(fēng)乍起，整個經(jīng)典力學(xué)的大廈轟然倒塌，繼而崛起的是兩大新的生命——相對論與量子力學(xué)。現(xiàn)隨我來回顧一下那個驚人歲月的驚人發(fā)現(xiàn)。

    故事還得回到意大利那個的盛夏······

    在地中海的沿岸有一個國家像一只靴子伸進(jìn)了蔚藍(lán)的大海中。那就是意大利。當(dāng)然我們要追回到四個多世紀(jì)以前，那時(shí)她就是整個物理學(xué)的中心。在那里有一位名氣不遜色于任何意大利足球明星的科學(xué)家——伽利略。他是近代實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的始祖，還給以他名字命名的相對性原理。這條原理就是相對論的源頭之一。

    話說伽利略就不得不談?wù)勊谋人_塔實(shí)驗(yàn)，兩個不同重量的鐵球同時(shí)落地，用實(shí)驗(yàn)的方法來否定柏拉圖式的完全依靠個人沉思而忽略周圍世界的研究方法得到了認(rèn)可，不僅如此，歷史如此的相似，牛頓因看到蘋果落地而發(fā)現(xiàn)了萬有引力，阿爾伯特·愛因斯坦也因此想到了等效性原理。除了提出了相對性原理的思想之外，伽利略還為物理學(xué)的發(fā)展做出了很多杰出的貢獻(xiàn)，包括落體規(guī)律，慣性定律等的研究。

    轉(zhuǎn)眼間，蘋果花香飄到了烏爾村，1642年的圣誕之夜，牛頓誕生于林肯郡的烏爾索普村。說起牛頓，我們還得聊聊他的童年，其中有興許很多值得我們思量再三。小牛頓出生的前三個月，父親就撒手人寰，隨后母親改嫁，小牛頓跟隨其祖母，甚是凄苦。所幸的是祖母對他疼愛有佳。他舅舅是個木匠，小牛頓也就有機(jī)會做做小玩意，討好那些在學(xué)校欺負(fù)他的學(xué)生，一次一個比他大的學(xué)生將他的一個自認(rèn)為很得意的木制玩具故意弄壞，惹怒了小牛頓，于是和那同學(xué)打了一架，并且還打贏了，由此取得了強(qiáng)列的上進(jìn)心，從此成績一躍前茅。之后以優(yōu)異的成績被推薦到劍橋大學(xué)三一學(xué)院。

     1665年到1666年間倫敦發(fā)生了一場大瘟疫。學(xué)校停課，牛頓回到家鄉(xiāng)烏爾索普。正是這期間，發(fā)生了蘋果故事。從此，在物理學(xué)家眼中，蘋果樹有如同佛教的菩提樹一樣神圣。牛頓一生所做的貢獻(xiàn)頗多，其中最具有影響的當(dāng)是他發(fā)現(xiàn)的萬有引力和運(yùn)動三定律了。在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書中，他說：“絕對的、真實(shí)的和數(shù)學(xué)的時(shí)間，由其特性決定，自身均勻的流逝，與一切外在事物無關(guān)······絕對空間：其自身特性與一切外在事物無關(guān)，處處均勻，永不移動。”

這表明在牛頓看來時(shí)間與空間是絕對的，是一個相互獨(dú)立又與外事萬物無關(guān)的。

時(shí)空的絕對性正是整個經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，然而這正是問題的所在，必將導(dǎo)致整個經(jīng)典物理學(xué)的倒塌，取而代之卻是天空飄浮著的兩朵烏云。

     順便聊聊題外話，笛卡兒坐標(biāo)系聽說過吧，它就是著名的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家笛卡兒創(chuàng)造的，然笛卡兒的情書一事或許你就有所不知了，在笛卡兒生命的最后一刻他寄出了給公主的第13封情書，上面就只有一個式子： r=1-sinθ。這就是著名的心臟線，不防你自個畫一畫，這封情書絕對不遜于歷史任何一封最有創(chuàng)意、最浪漫的情書了。

     時(shí)光流到1856年，一名叫詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的英國物理學(xué)家出現(xiàn)了。在這一年里，他陸續(xù)發(fā)表了他的“電磁學(xué)三部曲”：《論法拉第的力線》、《論物理學(xué)力線》、《電磁場的動力學(xué)理論》。正是這三篇論文中，麥克斯韋給出了著名的“麥克斯韋方程組”。經(jīng)過赫茲等人的簡化，變成了現(xiàn)在通行的形式。

在這里，我們不把它當(dāng)做一組煩瑣的數(shù)學(xué)方程來讀。因?yàn)榕c其說它是一組方程還不如說它是一首詩歌。其對稱性達(dá)到了極致。電生磁，磁生電，并預(yù)言電磁波的存在。1887年赫茲首次在實(shí)驗(yàn)室里證明了電磁波的存在，很快，馬可尼在英國實(shí)現(xiàn)了無線電通信，預(yù)示著的電磁波時(shí)代的來臨。如今，無線電成為我們生活中極其重要的一部，手機(jī)，互聯(lián)網(wǎng)，雷達(dá)，衛(wèi)星······沒有無線電，我們很難想象我們今天的生活會是什么樣子。正當(dāng)人們驚喜于這樣偉大的發(fā)現(xiàn)，以為物理學(xué)到此就走向了完結(jié)，后人所要做的就是一些修修補(bǔ)補(bǔ)，然而新的問題又出現(xiàn)了，人們發(fā)現(xiàn)麥克斯韋方程中推出來的光速c不滿足相對性疊加原理······本想借助以太學(xué)說彌補(bǔ)，然兩朵烏云出現(xiàn)了，第一朵便是邁克爾遜—莫雷實(shí)驗(yàn)給出了一個另人出乎意料的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)測得的0.01條移動條紋與理論上的0.4條相差甚遠(yuǎn)，顯然這是物理學(xué)家們不愿看到了，第二朵烏云則與黑體輻射有關(guān)。令人想不到的是，兩朵烏云竟如此強(qiáng)大，導(dǎo)致了大廈的轟然倒塌。

聊聊以太，以太是什么？沒有人知道，首先是由笛卡兒提出來的，他認(rèn)為虛無的空間是不存在的，宇宙間到處充滿了以太。但是牛頓不支持光的波動學(xué)說，他認(rèn)為光是一種粒子，后來以太也就被冷落了。到了19世紀(jì)，人們看到了光的干涉、衍射等現(xiàn)象，以太得到了新生，此后波動學(xué)說成為了主流，尤其在麥克斯韋發(fā)表了他的絕句之后，以太的身份問題引起了注意。于是測量“以太漂移”的浪潮席卷天下，其中邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)最為出名，結(jié)果讓所有人大失所望。

為了解決天空中的第一朵烏云，解釋邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)，有不少人做了很多工作，取的成果卻是甚微，雖然洛倫茲給出的洛倫茲變換能夠較為合理的解釋邁克爾遜實(shí)驗(yàn)但與其他理論沖突?？磥碓谂f的框架下來驅(qū)散天空中的第一朵烏云是不大可能了。大多數(shù)物理學(xué)家為此而感到沮喪。

可能以太的引入根本是一個錯誤，一個微弱的聲音從遠(yuǎn)方傳來。他就是恩思特·馬赫。他在萊比錕出版了一本名留青史的著作——《力學(xué)及其發(fā)展的批判歷史根概論》。在書中首先肯定和贊美了牛頓的工作及力學(xué)體系的明晰性，然后給出了有力證據(jù)，客觀中肯的對經(jīng)典力學(xué)的基本概念和原理提出了質(zhì)疑和批判。其中最出名的一節(jié)要數(shù)對牛頓絕對時(shí)空觀的批判。

在書中他提到：“絕對時(shí)間無法根據(jù)比較運(yùn)動來量度，因此，它既無實(shí)踐價(jià)值，也無科學(xué)根據(jù)；沒有人能提出證據(jù)說他知道有關(guān)它的任何事情。它是一個形而上學(xué)的概念。”大膽的否定了牛頓的絕對時(shí)空觀。

 1898年龐加萊異軍突起，成為又一支強(qiáng)大的新生力量。那一年在《時(shí)間的量度》一書中，他說：“（光具有不變的速度，光速在所有方向都是相同的）這是一個公設(shè)，沒有這個公設(shè)便不能試圖測量光速。這個公設(shè)永遠(yuǎn)也無法用實(shí)驗(yàn)證實(shí)---”

這常被人用來跟日后的愛因斯坦提出的“光速不變原理” 相比較，雖然兩者還是有區(qū)別的。稍后就會知道。

另一支異軍就是愛因斯坦了，在談愛因斯坦之前首先得講講他的妻子米列娃，有人說狹義相對論的發(fā)現(xiàn)權(quán)當(dāng)屬米列娃而不是愛因斯坦，在我個人看來這種說法有點(diǎn)站不住腳，假如狹義相對論是由米列娃來完成的，那么狹義相對論的后續(xù)工作—廣義相對論怎么就由愛因斯坦一個人單獨(dú)來完成呢。所以我更愿意去相信狹義相對是由愛因斯坦來完成的，或許米列娃在其中幫助過愛因斯坦是有可能。狹義相對論的發(fā)現(xiàn)權(quán)還有人認(rèn)為是龐加萊或者洛倫茲，這更是謬論?，F(xiàn)在來看看達(dá)里戈?duì)柕挠^點(diǎn)，“愛因斯坦和龐加萊都提出了相對性原理，都假定光速不變在同一慣系中是一樣的，還認(rèn)為不同慣性系的觀測者所得到的空間和時(shí)間坐標(biāo)可以通過洛倫茲變換互相轉(zhuǎn)換，也意識到麥克斯韋方程組在洛倫變換下保持不變，并且所有物理學(xué)規(guī)律都應(yīng)滿足這一性質(zhì)?！?/span>

至于他們不同之處，達(dá)里戈?duì)栔赋?，愛因斯坦完全放棄了以太，而龐加萊則沒有，對時(shí)空的認(rèn)識愛因斯坦更勝一籌，完全突破了傳統(tǒng)的束縛，所以狹義相對論的發(fā)現(xiàn)權(quán)當(dāng)數(shù)愛因斯坦。撇開這些爭論，讓我們走近狹義相對論。

   兩個基本原理開基立業(yè)

   分別是——

   1 狹義相對性原理：在所有慣性系中，所有的物理學(xué)規(guī)律都是一樣。

   2 光速不變原理：在所有慣性系中，真空的光速是一個常數(shù)c。

第一條顯然是對伽利略相對性原理的推廣，然而要滿足的變換就不再是伽略變換，而是洛倫茲變換，伽利略相對性原理說的是“力學(xué)規(guī)律”，它不包括麥克斯韋的電磁學(xué)規(guī)律。大自然應(yīng)該是不會偏心的，它對所有物理學(xué)規(guī)律應(yīng)該一視同仁。為什么力學(xué)規(guī)律可以得到如此待遇，而其他規(guī)律則不行呢。于是愛因斯坦大筆一揮，將“力學(xué)規(guī)律”換成了“所有規(guī)律”，并采用洛倫茲變換，得到更加普適的相對性原理。并且將時(shí)間與空間聯(lián)系起來。

 第二條光速不變原理或許有此不可思議，由它直接推出的時(shí)間變慢，尺縮效應(yīng)更是讓人難以理解。其實(shí)很好解釋，因?yàn)槲覀兩钪谐Ｒ姷降倪\(yùn)動現(xiàn)象都是低速的，是觀察不到這些現(xiàn)象的。當(dāng)然也沒有人能夠保證愛因斯坦的光速不變原理是正確的。

  狹義相對論的兩條基本原理為眾多實(shí)驗(yàn)所證實(shí)。同時(shí)還解決了天空中的第一朵烏云這一難題。所有慣性系都是一樣的，也就不存在特別的參考系—以太，換言之，狹義相對論告訴我們絕對參考系是不存在的。這也就是為什么在邁克爾遜－莫雷實(shí)驗(yàn)中測得的移動條紋數(shù)為0.01遠(yuǎn)小于0.1，以太根本就不存在，怎么可能測得出來呢。他們不是沒想到，只是不敢去想，傳統(tǒng)思想的束縛實(shí)在太深了。以至于愛因斯坦在1905發(fā)表《論動體的電動力學(xué)》無人問津。這不是數(shù)學(xué)上不清楚而是思想上的拒絕。可以說狹義相對給人們帶來的不僅是物理學(xué)上的突破，更是人類思想上的重大革命。人類的視野從此走出了地球，對準(zhǔn)的將是一個全新的宇宙。

  現(xiàn)在再來具體看看狹義相對論的相關(guān)推論，只有理解了它，你才有可能對相對論有進(jìn)一步的認(rèn)識。

 1同時(shí)的相對性

   2時(shí)間膨脹

3長度收縮

4洛倫茲速度合成公式

5因果律

以上五點(diǎn)推論由洛倫茲愛因斯坦變換公式得到。

由洛倫茲速度合成公式還可以導(dǎo)出質(zhì)速關(guān)系，這直接得到了實(shí)驗(yàn)的驗(yàn)證，又由質(zhì)速關(guān)系可以推出著名的質(zhì)能關(guān)系：E=MC²。

接下來我們來看看閔可夫斯基四維時(shí)空。閔可夫斯基是愛因斯坦的大學(xué)老師，為了將時(shí)間與空間更加完美的統(tǒng)一，他從數(shù)學(xué)考慮將時(shí)間t乘以一個常數(shù)c變成空間的單位，并且考慮到對稱性再乘以一個虛數(shù)單位i，將時(shí)間與空間完美的放在了一起，從而形成四維時(shí)空，并取名為“world”,進(jìn)一步完善了狹義相對論。

到此狹義相對論的發(fā)現(xiàn)之路基本完成。

縱觀狹義相對論的發(fā)現(xiàn)之路，并不是一帆風(fēng)順的。其中艱辛只有身在其中才能夠真正體會。然而那些偉大的物理學(xué)家從來都沒有在乎，他們真正追求是宇宙的本源，并為此默默奉獻(xiàn)一生。