19世紀(jì)物理學(xué)天空中的兩朵烏云之狹義相對(duì)論

    博主按：此文來(lái)自網(wǎng)絡(luò)，作者不詳。行文筆調(diào)輕松幽默，類(lèi)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(duì)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(wàn)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(gè)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(duì)論與量子力學(xué)。現(xiàn)隨我來(lái)回顧一下那個(gè)驚人歲月的驚人發(fā)現(xiàn)。

    故事還得回到意大利那個(gè)的盛夏······

    在地中海的沿岸有一個(gè)國(guó)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(gè)多世紀(jì)以前，那時(shí)她就是整個(gè)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(duì)性原理。這條原理就是相對(duì)論的源頭之一。

    話(huà)說(shuō)伽利略就不得不談?wù)勊谋人_塔實(shí)驗(yàn)，兩個(gè)不同重量的鐵球同時(shí)落地，用實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)否定柏拉圖式的完全依靠個(gè)人沉思而忽略周?chē)澜绲难芯糠椒ǖ玫搅苏J(rèn)可，不僅如此，歷史如此的相似，牛頓因看到蘋(píng)果落地而發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力，阿爾伯特·愛(ài)因斯坦也因此想到了等效性原理。除了提出了相對(duì)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(píng)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(shuō)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(gè)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(duì)他疼愛(ài)有佳。他舅舅是個(gè)木匠，小牛頓也就有機(jī)會(huì)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(gè)比他大的學(xué)生將他的一個(gè)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(jī)一躍前茅。之后以?xún)?yōu)異的成績(jī)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(chǎng)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(píng)果故事。從此，在物理學(xué)家眼中，蘋(píng)果樹(shù)有如同佛教的菩提樹(shù)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(wàn)有引力和運(yùn)動(dòng)三定律了。在《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》一書(shū)中，他說(shuō)：“絕對(duì)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(wú)關(guān)······絕對(duì)空間：其自身特性與一切外在事物無(wú)關(guān)，處處均勻，永不移動(dòng)?！?/SPAN>

這表明在牛頓看來(lái)時(shí)間與空間是絕對(duì)的，是一個(gè)相互獨(dú)立又與外事萬(wàn)物無(wú)關(guān)的。

時(shí)空的絕對(duì)性正是整個(gè)經(jīng)典物理學(xué)的基礎(chǔ)，然而這正是問(wèn)題的所在，必將導(dǎo)致整個(gè)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(huà)，笛卡兒坐標(biāo)系聽(tīng)說(shuō)過(guò)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(shū)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(shū)，上面就只有一個(gè)式子： r=1-sinθ。這就是著名的心臟線(xiàn)，不防你自個(gè)畫(huà)一畫(huà)，這封情書(shū)絕對(duì)不遜于歷史任何一封最有創(chuàng)意、最浪漫的情書(shū)了。

     時(shí)光流到1856年，一名叫詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的英國(guó)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(xiàn)》、《論物理學(xué)力線(xiàn)》、《電磁場(chǎng)的動(dòng)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(guò)赫茲等人的簡(jiǎn)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(lái)讀。因?yàn)榕c其說(shuō)它是一組方程還不如說(shuō)它是一首詩(shī)歌。其對(duì)稱(chēng)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(guó)實(shí)現(xiàn)了無(wú)線(xiàn)電通信，預(yù)示著的電磁波時(shí)代的來(lái)臨。如今，無(wú)線(xiàn)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(méi)有無(wú)線(xiàn)電，我們很難想象我們今天的生活會(huì)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(wèn)題又出現(xiàn)了，人們發(fā)現(xiàn)麥克斯韋方程中推出來(lái)的光速c不滿(mǎn)足相對(duì)性疊加原理······本想借助以太學(xué)說(shuō)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(gè)另人出乎意料的結(jié)果，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的0.01條移動(dòng)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(méi)有人知道，首先是由笛卡兒提出來(lái)的，他認(rèn)為虛無(wú)的空間是不存在的，宇宙間到處充滿(mǎn)了以太。但是牛頓不支持光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)，他認(rèn)為光是一種粒子，后來(lái)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(dòng)學(xué)說(shuō)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(wèn)題引起了注意。于是測(cè)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?lái)在舊的框架下來(lái)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(gè)錯(cuò)誤，一個(gè)微弱的聲音從遠(yuǎn)方傳來(lái)。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(shū)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(duì)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(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的批判。

在書(shū)中他提到：“絕對(duì)時(shí)間無(wú)法根據(jù)比較運(yùn)動(dòng)來(lái)量度，因此，它既無(wú)實(shí)踐價(jià)值，也無(wú)科學(xué)根據(jù)；沒(méi)有人能提出證據(jù)說(shuō)他知道有關(guān)它的任何事情。它是一個(gè)形而上學(xué)的概念?！贝竽懙姆穸伺ｎD的絕對(duì)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(shū)中，他說(shuō)：“（光具有不變的速度，光速在所有方向都是相同的）這是一個(gè)公設(shè)，沒(méi)有這個(gè)公設(shè)便不能試圖測(cè)量光速。這個(gè)公設(shè)永遠(yuǎn)也無(wú)法用實(shí)驗(yàn)證實(shí)---”

這常被人用來(lái)跟日后的愛(ài)因斯坦提出的“光速不變?cè)怼?相比較，雖然兩者還是有區(qū)別的。稍后就會(huì)知道。

另一支異軍就是愛(ài)因斯坦了，在談愛(ài)因斯坦之前首先得講講他的妻子米列娃，有人說(shuō)狹義相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)權(quán)當(dāng)屬米列娃而不是愛(ài)因斯坦，在我個(gè)人看來(lái)這種說(shuō)法有點(diǎn)站不住腳，假如狹義相對(duì)論是由米列娃來(lái)完成的，那么狹義相對(duì)論的后續(xù)工作—廣義相對(duì)論怎么就由愛(ài)因斯坦一個(gè)人單獨(dú)來(lái)完成呢。所以我更愿意去相信狹義相對(duì)是由愛(ài)因斯坦來(lái)完成的，或許米列娃在其中幫助過(guò)愛(ài)因斯坦是有可能。狹義相對(duì)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(lái)看看達(dá)里戈?duì)柕挠^點(diǎn)，“愛(ài)因斯坦和龐加萊都提出了相對(duì)性原理，都假定光速不變?cè)谕粦T系中是一樣的，還認(rèn)為不同慣性系的觀測(cè)者所得到的空間和時(shí)間坐標(biāo)可以通過(guò)洛倫茲變換互相轉(zhuǎn)換，也意識(shí)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(mǎn)足這一性質(zhì)。”

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

   兩個(gè)基本原理開(kāi)基立業(yè)

   分別是——

   1 狹義相對(duì)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?cè)恚涸谒袘T性系中，真空的光速是一個(gè)常數(shù)c。

第一條顯然是對(duì)伽利略相對(duì)性原理的推廣，然而要滿(mǎn)足的變換就不再是伽略變換，而是洛倫茲變換，伽利略相對(duì)性原理說(shuō)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(huì)偏心的，它對(duì)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(ài)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(duì)性原理。并且將時(shí)間與空間聯(lián)系起來(lái)。

 第二條光速不變?cè)砘蛟S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?zhuān)驗(yàn)槲覀兩钪谐Ｒ?jiàn)到的運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象都是低速的，是觀察不到這些現(xiàn)象的。當(dāng)然也沒(méi)有人能夠保證愛(ài)因斯坦的光速不變?cè)硎钦_的。

  狹義相對(duì)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(duì)論告訴我們絕對(duì)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(cè)得的移動(dòng)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(cè)得出來(lái)呢。他們不是沒(méi)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(ài)因斯坦在1905發(fā)表《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》無(wú)人問(wèn)津。這不是數(shù)學(xué)上不清楚而是思想上的拒絕。可以說(shuō)狹義相對(duì)給人們帶來(lái)的不僅是物理學(xué)上的突破，更是人類(lèi)思想上的重大革命。人類(lèi)的視野從此走出了地球，對(duì)準(zhǔn)的將是一個(gè)全新的宇宙。

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

 1同時(shí)的相對(duì)性

   2時(shí)間膨脹

3長(zhǎng)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(ài)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(lái)我們來(lái)看看閔可夫斯基四維時(shí)空。閔可夫斯基是愛(ài)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(gè)常數(shù)c變成空間的單位，并且考慮到對(duì)稱(chēng)性再乘以一個(gè)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(duì)論。

到此狹義相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)之路基本完成。

縱觀狹義相對(duì)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(huì)。然而那些偉大的物理學(xué)家從來(lái)都沒(méi)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。