手持利剑,划破乌云

来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-11-17

 〖2017年“十佳新锐科普创客大赛”参赛作品,版权归大赛主办方所有,任何媒体、网站或个人不得转载!违者追究相应法律责任!〗

  十九世纪的最后一天,欧洲著名的科学家们欢聚一堂。会上,英国著名物理学家开尔文爵士发表了新年祝辞。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩下的只是一些修饰工作。同时,他在展望二十世纪物理学前景时,却若有所思地讲到:“动力学理论肯定了热和光是运动的两种形式,现在,她那美丽而晴朗的天空却被两朵乌云笼罩了,第一朵乌云出现在光的波动理论上,第二朵乌云出现在关于能量均分的麦克斯韦-波尔兹曼理论上。”这两朵乌云宛如三体中的智子一样,将当时的物理学领域完全封锁,经典物理已经无法再前进一步,只有提出新的理论才能打破这个屏障。

  对于十九世纪末期的物理学家来说,物理学已经发展到相当完美的程度,正如基尔霍夫所说的那样:“物理学已经无所作为,往后无非是在已知规律的小数点后面加上几个数字而已。”以经典力学,经典电磁场和经典统计学为三大支柱的物理大厦已经建成:经典力学有牛顿力学和伽利略变换,经典电磁场理论有麦克斯韦方程组,经典统计学有唯象热力学和统计力学。这些理论似乎可以解释当时的一切宏观现象,然而,正当物理学家们沉浸在物理学领域取得的伟大胜利所带来的喜悦时,一朵乌云出现了。

  1865年,英国物理学家麦克斯韦建立了一组描述电场,磁场,电荷密度与电流密度之间关系的偏微分方程,即麦克斯韦方程组。从中可以推导出电磁波在真空中以c=3*108m/s的速度传播,同时做出了光是电磁波的猜想。这个方程组标志着经典电磁理论的完成,揭示了电场与磁场的相互转化,在物理史甚至人类的科学史上都占据着重要的地位。

  19世纪的经典力学思想认为,机械波的传播需要弹性介质。例如水波的传播需要水作为介质,声波的传播需要空气作为介质等等,可是作为电磁波的光是如何传播的呢?光的传播速度是以什么为参考系呢?这是两个极其重要的问题,当时的波动理论认为光是一种波,和水波相似,既然是波,那它的传播就需要介质,但太空恰恰是一个接近真空的环境,没有什么物质可以作为介质,这就和当时的思想产生了巨大的冲突。这些问题令当时的物理学家们苦恼不已,难道是我们的物理支柱错了吗?不可能!因为这三大支柱不仅支撑着当时的物理学大厦,更支撑着所有物理学家们的信仰!又有谁敢于轻易怀疑自己的信仰呢?为了解释这些问题,当时的物理学家们发展了“以太”学说,假定以太充满整个宇宙空间,认为以太是光和引力传播的介质。同时期,麦克斯韦电磁理论引入这个概念,认为以太是光和电磁波的传播介质,没有重量,可以绝对渗透,绝对静止,一切运动都相对于它进行,光在“以太”中传播的速度就是麦克斯韦方程组推导出的光速(即光速的参考系就是以太)。至此,物理学家们认为光的传播问题已经得到解决,以太作为光,电,磁的共同载体概念被人们普遍接受。

  这些理论令当时的人们肯定了以太的存在,但是有一个问题需要解决。

  麦克斯韦方程组推导出的光速是以绝对静止的以太为参考系的,既然以太充满整个宇宙空间,而且绝对静止,地球绕太阳运动,那么在地球上测量光速,数值应该不是c。比如,把我们比做地球,空气比作以太,小狗比作光,在一个无风的日子里,我们以速度v1慢跑,在我们的旁边有一只小狗以速度v2跑过,如果小狗是和我们同方向的,在你看来,小狗的速度应该是v2-v1,如果是反方向的,则小狗的速度是v2+v1,这是伽利略变换的思想,也是经典力学的时空观,即其它参考系所测量到的光速是“以太”中的光速与观察者所在参考系相对于以太的速度的矢量差。也就是说,经典力学的时空观认为光速在不同的参考系下是不同的。

  当时的人们为解决这两个问题进行了大量的实验,可是,光速的变化未被探测到,科学家们认为是仪器精度的原因,很少人怀疑是以太理论本身的问题。

  美国物理学家迈克尔逊作为光学测量领域的专家,一生都致力于光学仪器的发展和精确测量,对光学实验和光学仪器所做出的重大贡献,使他在1907年获得了诺贝尔物理学奖。为了探测光速是否发生改变,1887年,他和莫雷合作,在克利夫兰进行了一个实验:“以太漂移”,实验原理如下:

  设光从分光镜到M2然后返回的总时间为t1,光从分光镜到M1然后返回的总时间为t2,按照当时的设想:如果不存在“以太”,则光速是相同的,那么t1和t2是必然相等的;如果存在“以太”,根据伽利略变换,光速是不相同的,那么t1和t2也是不相等的,两者有一个时间差Δt1。这时将仪器整体旋转90度,这时又会有一个时间差Δt2,由于旋转所引起的时间差变化为Δt2-Δt1,根据当时的波动理论,光是一种波,如果到达观测屏上的时间不同,那么观测屏上会形成明暗相间的干涉条纹,时间差的变化会导致干涉条纹发生移动,但结果却是:实验在一年四季(观察地球的公转效应)和白天黑夜(观察地球的自转效应)进行,干涉条纹未发生任何变化。

11

  “以太漂移”实验原理图

  当时,他们设计的仪器精度非常高[实验仪器已经能测量到“二级”效应,即(v/c)²],但结果却是否定的,这令当时的科学工作者们惶恐不安,“以太”被否定了吗?光速没有发生变化,伽利略变换失效了吗?经典力学的时空观是错误的吗?如果是这样,那就等于否定了他们之前所做的一切啊!这对当时的科学领域造成了巨大的打击。后来,实验被重复了许多次,但结果是相同的,这一朵巨大的乌云开始笼罩在物理学的上空,这个领域变的阴暗起来,利剑何时才能划破乌云带来光明?

  为了在以太的理论框架下解释这些实验的结果,斐兹杰惹和洛伦兹先后于1889年和1892年独立提出洛伦兹-斐兹杰惹收缩假定,即物体运动时,在运动方向上会发生收缩。如上图中,假设仪器在“以太”中的速度是向右的,那么分光镜和反光镜M1之间的距离会减小,而垂直于速度方向上不发生收缩,即分光镜和反光镜M2之间的距离不发生改变。引入这个效应之后,经过数学计算,发现实验结果是合理的,这样就不能否定“以太”了,因为当时的设想是:不存在“以太”,条纹不发生移动;而现在是:存在“以太”,但是仪器发生了收缩效应,从而干涉条纹不会发生变化。

  这个理论成功解释了实验的结果,在当时的条件下,用如此简单的假定就可以摆脱以太理论的困境,至今仍闪耀着睿智的光辉。

  但是,洛伦兹认为,这种收缩是真实发生在物质上的,现在看来,这种观点是不正确的。而且,将以太作为电磁场方程的特定惯性系在运用时非常麻烦。

  1904年,洛伦兹基于收缩的假定和“地方时”的引入,建立了洛伦兹变换方程,但他仍然坚信以太的存在,因而未能从物理上对这组方程做出正确的解释,也就是说,这组变换只有数学上的意义,不具有狭义相对论的时空观。

  非常遗憾!

  但不可否认的是,洛伦兹所做的工作是伟大的,他为后来者提供了新思想和数学基础,完善后的洛伦兹变换成为了狭义相对论中的核心方程,正如尼古拉.特斯拉所说的那样:科学工作者不应把目光瞄准一个立即的结果,他并不期待他的先进想法被乐意地采用,他的工作就像是为未来而耕作,他的责任是为后继者打下基础和指出道路。

  毫无疑问,他做到了!

  “我们时代最伟大,最高尚的人!”爱因斯坦如此评价这位良师益友。

22

  洛伦兹参加索尔维会议(前排左四)

  1905年6月30日,爱因斯坦在德国莱比锡权威期刊《物理学纪事》上发表了第一篇关于狭义相对论的论文《论动体的电动力学》,这标志着一位手持利剑的勇士出现了!他在论文中没有引用任何参考文献,几乎以一己之力建立了狭义相对论的框架。

  所谓狭义,就是这个理论所采用的参考系都是惯性参考系,所谓惯性参考系,即静止或做匀速直线运动的参考系。

  狭义相对论提出两条假设:

  ⑴相对性原理。即一切惯性系对于描述物理现象来说都是等价的,物理定律(除引力外)对于一切惯性系都应采取相同的数学形式。

  ⑵光速不变原理。即在一切惯性参考系中所测得的光速是相等的。

  关于相对性原理:比如有一个封闭的空间,距离大质量物体比较远,这样可以保证不受引力的影响。你被安置在其中,这时你将一个小球拿过头顶然后丢下,以封闭空间为参考系,这时你会看到小球向下运动,落到底部,在你休息后,这个封闭空间开始做匀速运动,等你醒来,仍然做前面的那个实验,那么实验结果与上次实验的结果是相同的。在这里,两次实验分别以静止和匀速运动的封闭空间为参照,这个封闭空间就是惯性参考系。

  关于光速不变原理:假如有一辆匀速运动的火车速度为v,这时,作为乘客的你拿出一个手电筒向前照去,那么在车上测得光速是c,这时你会想,如果在地面上测量这个速度的话,根据伽利略变换,这个速度应该是c+v,因为火车运动给了光一个速度v。但是事实却是:光速仍然是c,和在车上测量的结果相同。

  根据相对性原理和光速不变原理可以重新推导出洛伦兹方程,相对性原理指出物理定律在所有惯性系都是等价的,这样就可以放弃作为绝对参考系的“以太”,如果“以太”不存在,那么“以太漂移”实验就不需要解释了,根据光速不变原理,这个实验反映的就是真实自然的结果。

  关于光传播的介质问题,1905年,爱因斯坦解释发现的光电效应现象时,认为光波同时具有波和粒子的双重性质。这样,把光当作具有波性质的的粒子,光的传播就更加不需要“以太”这种介质了。而事实就是:光的传播不需要任何介质。

  利剑出鞘,乌云消散!

  爱因斯坦,相信大家看到这个名字并不感觉陌生,多多少少对他都有一些了解,那就说一些关于他创建狭义相对论的事情吧。

  当时的他,已经是两个孩子的父亲,在思考“以太”等问题的同时,还要分出很大的心思尽着作为父亲的责任,科学研究是一项十分艰苦的工作,庞大的脑力劳动足以让一个普通人痛苦不堪,对于他,更是如此。困扰了许多大物理学家的“以太之谜”,萦绕在他心中已达十年之久,如果不是他那颗执着追求的心,恐怕早已放弃了吧!他坚信相对性原理是正确的,但是如果将相对性原理用于电磁理论,那么必须承认真空光速c在所有惯性参考系相同,与波源的运动无关,这就和牛顿力学产生了尖锐的矛盾,所以必须要修正牛顿定律,改变牛顿的经典时空观,但是建立一个新的理论何其艰难,这需要多么大的勇气!多少次的不眠之夜,多少次的运算失败,多少次精神上的折磨,正如他所说过的那样:“至于探索真理,我从自己不时撞入死胡同的痛苦中探索认识到。在朝着真正有意义的事物方面每迈进一步,不管是多么渺小的一步,都是难乎其难的。”

  在另一个场合他说道:“那种遐思联翩与怀着热切的的奢望,信心与失望常年交织在一起的心情,以及最后向真理冲刺的的感情,所有这一切,唯有设身处地的人才能体会到。”

  他究竟承受了多少!

  无论多少,他都没有放弃!

  1905年,这一年爱因斯坦在德国莱比锡权威科学刊物《物理学纪事》连续发表五篇论文,文章质量之高,前所未有,其中有一篇就是关于狭义相对论的,还有一篇令他获得了1921年的诺贝尔物理学奖。而这一年,后来被称为“爱因斯坦奇迹年”。

  他没有止步。

  接着,他根据狭义相对论两条基本原理,推出同时性的相对性效应,时钟延缓效应,尺缩效应,质量随速度变化效应,质能关系等结论。

  所有这些,从经典物理学和日常经验来看,简直是不可思议!现在看是如此,更何况是十九世纪时期呢!抛弃了“以太”,这在当时看来简直就是“疯狂”,正如劳厄在1911年所写的一篇文章中讲到的:自古至今的物理学问题,还没有比得上空间和时间概念能对人们产生这样巨大的震动。在这个理论中,时间和空间不再是独立的,而是和运动的物质相联系的;时间和空间是运动物质的一种固有属性等等,这些新思想不断挑战着人类思维的极限,没有多少人能够真正读懂它。正因如此,对待这个开创了物理学史新纪元的理论,大部分人都持反对态度,论文发表后的几年里,几乎没有什么反响。在此期间,爱因斯坦一度感到沮丧不已,承受了巨大的压力,在推导出大名鼎鼎的质能方程后,他在给友人的一封信上写到:“这一推论非常有意思,非常诱人。然而,在这里,上帝是否在笑我,我是否在骗我,目前还不得而知......”

  无比的失落!

  直到1908年,才有大批科研工作者注意到他的研究成果。

33

  阿尔伯特.爱因斯坦与质能方程

  狭义相对论建立至今已经有112年的历史。一个理论的正确性需要用时间,用解释自然现象的合理性,用各种实验去验证,这个理论也经受了112年的时光考验。

  狭义相对论的建立,改变了人们关于时间,空间,质量等原有观念,它是物理学史上的一次革命,将人们的目光引入了宏观高速领域。

  生命短暂犹若露珠消散,人们在奔波中寻找答案,运数仿佛大海起伏不定,乌云在天空中滚滚凝聚,长剑在勇士手中厉厉颤鸣,岁月如斑驳铜镜般经年,谁能参悟兮世事如局!

  纵观十九世纪的历史长河,引用一位学者的感慨——迷惘与自信,保守与变革,遮天蔽日的乌云,划破天际的利剑,人类追求自然和真理的过程,注定曲折而又美丽

 

扫码加蝌蚪五线谱微信