《物理的故事——在悖论中前行》
第36节作者:
江湖小片 为了解决此问题,他花了一年多的时间,毫无结果。1905年4月,他打算和朋友一起探讨光速不变与伽利略相对运动的问题,突然间他想到时间是什么?时间又是怎么得到呢?测量,唯有测量,既然测量那就和信号速度密不可分,所以在不同的惯性参考系下测量的时间是不一样的,而牛顿的绝对时空随着绝对静止的否定也不复存在了。
日期:2017-08-21 08:37:36
1905年6月,爱因斯坦发表了题目为《论运动物体的电动力学》的论文,也就是后来所说的“狭义相对论”,试看相对论的两个基本假设:
1.相对性原理。一切物理定律在所有惯性系中均有效,且符合洛伦兹变换;
2.光速不变原理。对于所有的惯性参考系,光速不变。
无疑洛伦兹的理论给予爱因斯坦很大的帮助。不过相对论提出之初,洛伦兹是极力反对的,他认为尺缩效应、时间膨胀是绝对的。到了后来,洛伦兹又成为相对论的支持者,洛伦兹也是一位德艺双馨的导师,总让人想起几十年前的法拉第。1928年,洛伦兹去世的时候,举国悲恸,爱因斯坦也在追悼会上称洛伦兹是对他影响最大的人。
在爱因斯坦的相对性原理之前,庞加莱就已经提出过“相对性原理”。不过爱因斯坦是对此并不知情的情况下独立完成狭义相对论的。因此狭义相对论版权归属爱因斯坦,而庞加莱则比较遗憾旁落了,究其主要原因,庞加莱虽然认为牛顿的绝对时空是不对的,但是并没有建立新的相对时空。一言以蔽之,庞加莱告诉人们不该那么样做,而爱因斯坦告诉人们该怎么做。正如爬山一样,翻过了山顶才能叫做风景。
在狭义相对论里,光速不变且不可超越。那么问题来了,根据牛顿的第二定律,假设太空中有个飞船,有足够的燃料支持他不断地被推着走,速度将会越来越大,总有一天会达到光速。爱因斯坦给出的解释是:不可能。因为当速度越来越大时,质量也会越来越大,质量的增加符合洛伦兹变换。如果维持同样的加速度,牵引力也会越来越大,当飞船接近光速时,所需要的能量就会无限大,显然这是做不到的。
这又带来了新的问题,在经典的物理体系中,质量和能量都是不生不灭的,虽有转化,但都守恒。能量和质量是物质的两种属性,中间没有关系,它们都在各自的领域里保持着“井水不犯河水”的外交策略。
1905年9月,爱因斯坦发表《物体惯性是否与它所含的能量有关?》的论文,提出新的观点:质量和能量都是相对的,都是物质的一种形式,二者可以发生转化,并给出了一个可作为物理学名片的公式:E=mc^2(E:能量;m:质量;c:光速。该公式的最初形式是�6�2E=�6�2mc^2)。
既然质量不守恒,那么在相对论中讨论质量失去了意义,爱因斯坦也表示对物理学引入“质量”概念感到过淡淡的忧伤,所以这里的质量特指“静质量”,意味着静止时的质量(静止质量大约是指低速是物体质量)。
庞加莱预言的新动力学已经成为现实;开尔文勋爵说的第一朵乌云却没有烟消云撒,而是下起了大雨。1905年也因为爱因斯坦幸运地登上了“奇迹年”的宝座,和1665年(或者1666)遥相呼应。
根据狭义相对论,我们有理由相信光也是一种物质,只是这种物质全以能量形式存在。质能方程中的1g物质的能量有多大呢?非常非常大,我们知道核武器的释放的能量就是依据质能方程计算的,其实核武器中的质量亏损其实不特别大,假如早晨我们的邻居金恩恩同学在他的“嗯嗯”之所撇下一枚“丨炸丨弹”,小计100g,如果将它全部转化为能量的话,相当于10000个美国当年在广岛投下的原子丨弹丨释放的能量。金恩恩高声地喊道:“颤抖吧!资本主义!”不过做人不要太嚣张,真要是那样的话,社会主义也不存在了。
希望我计算的没有错误!
日期:2017-08-21 08:39:03
说了这么多,人类花了整个世纪寻找的正主以太呢?
狭义相对论的提出是因为光速不变,而光速不变又是从寻找以太的实验中得出的,可以说以太就是狭义相对论的一个引子。然而当狭义相对论提出之后,当初作为光波传输的介质,以太到此时已经变的很憋脚了,于是根据奥卡姆剃刀原理(主旨是:如无必要,勿增实体),以太被人类剃了个精光精。现在以太这个名词也仅仅出现在历史或者“以太网”中,尽管曾经是它是那么的令人着迷,是那么的煊赫一时。关于以太,我有两点浅见,仅供参考:
1.爱因斯坦并没有否认以太的存在,只是光波(电磁波)传输不需要介质,也就用不到以太了。实际上,当他提出了广义相对论之后,他还曾提出过广义相对论以太说,不过很快被自己否定,道理还是一样,如无必要,勿增实体。
2.有没有以太?我觉得这和有没有并没有关系,只和需要不需要有关。狭义相对论之后,以太只是进入了第三个休眠期也未可知,当某天某人在无法解释的问题上,又重新提出了以太,只是这种以太的面貌发生了改变,或者名字也发生了改变,叫什么场以太、反物质以太、暗能量以太.总之,宇宙浩瀚无垠,渺小的人类做点“出尔反尔”的事本就不值得批判。
日期:2017-08-21 10:46:42
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日期:2017-08-21 10:47:14
第三十三回:关于狭义相对论的一些浅见
每一个惊世骇俗的理论出来之后,都会饱受非议,有多少人喜欢就有多少讨厌。所有都喜欢的,那是早已盖棺定论的;而所有人都讨厌的,那离“死”也就不远了。
1905年,爱因斯坦的两篇关于相对论的论文并没有引起轩然大波,不过还是有很多物理学家仔细阅读过,他们似乎都感受到了相对论的强大气场,但是具体也说不出所以然来,因为相对论真正意义在于否定了牛顿的时空观。第一位意识到这点的,恰恰是爱因斯坦曾经的数学老师闵可夫斯基。
闵科夫斯基(Minkowski,1864-1909)出生于俄国的犹太商人家庭,从小天资聪颖,看书过目不忘。由于当时俄国迫害犹太人,举家迁往德国。在德国的新家与另外一位大数学家希尔伯特(Hilbert,1862—1943)的家只有一河之隔。1884年,闵科夫斯基成为大学老师,他的工作经常变更,在不同的大学任教。1896年,他转到苏黎世大学,第二年,他正好遇到了他的倒霉学生—爱因斯坦。说实话要让老师对爱因斯坦产生好感那几乎是不可能的,所以当闵科夫斯基得知爱因斯坦提出相对论时,他感到很惊讶。当记者问及他对爱因斯坦的态度时,他喃喃地说:“爱因斯坦当年几乎不学数学。”说归说,闵科夫斯基也为爱因斯坦的成就感到高兴,并从数学几何上解释了狭义相对的时空关系,后被称为“闵氏空间”。
日期:2017-08-21 11:47:34
我们知道三维空间可以用三个垂直(即正交)的坐标表达,时间作为第四维势必也要和其他的维度垂直,但是现实生活中怎么找到一个与墙角三个面都垂直的面呢?其实数学表达空间未必一定需要三个维度,如果伞不能往墙上挂,可以考虑把它先收起来嘛。
先画个苍蝇绕翔图:
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