(66)[轉載]19世紀物理學天空中的兩朵烏雲

19世紀物理學天空中的兩朵烏雲之狹義相對論

博主按：此文來自網路，作者不詳。行文筆調輕鬆幽默，類似於有趣的科普文章。但文中關於伽利略、牛頓等人的史實，還有待進一步求證，至少有反駁的證據。另外，此文基本把狹義相對論出現的背景交待清楚了，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雲，狂風乍起，整個經典力學的大廈轟然倒塌，繼而崛起的是兩大新的生命——相對論與量子力學。現隨我來回顧一下那個驚人歲月的驚人發現。

故事還得回到義大利那個的盛夏······

在地中海的沿岸有一個國家像一隻靴子伸進了蔚藍的大海中。那就是義大利。當然我們要追回到四個多世紀以前，那時她就是整個物理學的中心。在那裡有一位名氣不遜色於任何義大利足球明星的科學家——伽利略。他是近代實驗物理學的始祖，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談他的比薩塔實驗，兩個不同重量的鐵球同時落地，用實驗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可，不僅如此，歷史如此的相似，牛頓因看到蘋果落地而發現了萬有引力，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，伽利略還為物理學的發展做出了很多傑出的貢獻，包括落體規律，慣性定律等的研究。

轉眼間，蘋果花香飄到了烏爾村，1642年的聖誕之夜，牛頓誕生於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，隨後母親改嫁，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，小牛頓也就有機會做做小玩意，討好那些在學校欺負他的學生，一次一個比他大的學生將他的一個自認為很得意的木製玩具故意弄壞，惹怒了小牛頓，於是和那同學打了一架，並且還打贏了，由此取得了強列的上進心，從此成績一躍前茅。之後以優異的成績被推薦到劍橋大學三一學院。

1665年到1666年間倫敦發生了一場大瘟疫。學校停課，牛頓回到家鄉烏爾索普。正是這期間，發生了蘋果故事。從此，在物理學家眼中，蘋果樹有如同佛教的菩提樹一樣神聖。牛頓一生所做的貢獻頗多，其中最具有影響的當是他發現的萬有引力和運動三定律了。在《自然哲學的數學原理》一書中，他說：「絕對的、真實的和數學的時間，由其特性決定，自身均勻的流逝，與一切外在事物無關······絕對空間：其自身特性與一切外在事物無關，處處均勻，永不移動。」

這表明在牛頓看來時間與空間是絕對的，是一個相互獨立又與外事萬物無關的。

時空的絕對性正是整個經典物理學的基礎，然而這正是問題的所在，必將導致整個經典物理學的倒塌，取而代之卻是天空飄浮著的兩朵烏雲。

順便聊聊題外話，笛卡兒坐標系聽說過吧，它就是著名的數學家、物理學家笛卡兒創造的，然笛卡兒的情書一事或許你就有所不知了，在笛卡兒生命的最後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，這封情書絕對不遜於歷史任何一封最有創意、最浪漫的情書了。

時光流到1856年，一名叫詹姆斯·克拉克·麥克斯韋的英國物理學家出現了。在這一年裡，他陸續發表了他的「電磁學三部曲」：《論法拉第的力線》、《論物理學力線》、《電磁場的動力學理論》。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」。經過赫茲等人的簡化，變成了現在通行的形式。

在這裡，我們不把它當做一組煩瑣的數學方程來讀。因為與其說它是一組方程還不如說它是一首詩歌。其對稱性達到了極致。電生磁，磁生電，並預言電磁波的存在。1887年赫茲首次在實驗室里證明了電磁波的存在，很快，馬可尼在英國實現了無線電通信，預示著的電磁波時代的來臨。如今，無線電成為我們生活中極其重要的一部，手機，互聯網，雷達，衛星······沒有無線電，我們很難想像我們今天的生活會是什麼樣子。正當人們驚喜於這樣偉大的發現，以為物理學到此就走向了完結，後人所要做的就是一些修修補補，然而新的問題又出現了，人們發現麥克斯韋方程中推出來的光速c不滿足相對性疊加原理······本想藉助以太學說彌補，然兩朵烏雲出現了，第一朵便是邁克爾遜—莫雷實驗給出了一個另人出乎意料的結果，實驗測得的0.01條移動條紋與理論上的0.4條相差甚遠，顯然這是物理學家們不願看到了，第二朵烏雲則與黑體輻射有關。令人想不到的是，兩朵烏雲竟如此強大，導致了大廈的轟然倒塌。

聊聊以太，以太是什麼？沒有人知道，首先是由笛卡兒提出來的，他認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說，他認為光是一種粒子，後來以太也就被冷落了。到了19世紀，人們看到了光的干涉、衍射等現象，以太得到了新生，此後波動學說成為了主流，尤其在麥克斯韋發表了他的絕句之後，以太的身份問題引起了注意。於是測量「以太漂移」的浪潮席捲天下，其中邁克爾遜－莫雷實驗最為出名，結果讓所有人大失所望。

為了解決天空中的第一朵烏雲，解釋邁克爾遜－莫雷實驗，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驗但與其他理論衝突。看來在舊的框架下來驅散天空中的第一朵烏雲是不大可能了。大多數物理學家為此而感到沮喪。

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——《力學及其發展的批判歷史根概論》。在書中首先肯定和讚美了牛頓的工作及力學體系的明晰性，然後給出了有力證據，客觀中肯的對經典力學的基本概念和原理提出了質疑和批判。其中最出名的一節要數對牛頓絕對時空觀的批判。

在書中他提到：「絕對時間無法根據比較運動來量度，因此，它既無實踐價值，也無科學根據；沒有人能提出證據說他知道有關它的任何事情。它是一個形而上學的概念。」大膽的否定了牛頓的絕對時空觀。

1898年龐加萊異軍突起，成為又一支強大的新生力量。那一年在《時間的量度》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，沒有這個公設便不能試圖測量光速。這個公設永遠也無法用實驗證實---」

這常被人用來跟日後的愛因斯坦提出的「光速不變原理」 相比較，雖然兩者還是有區別的。稍後就會知道。

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現權當屬米列娃而不是愛因斯坦，在我個人看來這種說法有點站不住腳，假如狹義相對論是由米列娃來完成的，那麼狹義相對論的後續工作—廣義相對論怎麼就由愛因斯坦一個人單獨來完成呢。所以我更願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。狹義相對論的發現權還有人認為是龐加萊或者洛倫茲，這更是謬論。現在來看看達里戈爾的觀點，「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，還認為不同慣性系的觀測者所得到的空間和時間坐標可以通過洛倫茲變換互相轉換，也意識到麥克斯韋方程組在洛倫變換下保持不變，並且所有物理學規律都應滿足這一性質。」

至於他們不同之處，達里戈爾指出，愛因斯坦完全放棄了以太，而龐加萊則沒有，對時空的認識愛因斯坦更勝一籌，完全突破了傳統的束縛，所以狹義相對論的發現權當數愛因斯坦。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

分別是——

1 狹義相對性原理：在所有慣性系中，所有的物理學規律都是一樣。

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「力學規律」，它不包括麥克斯韋的電磁學規律。大自然應該是不會偏心的，它對所有物理學規律應該一視同仁。為什麼力學規律可以得到如此待遇，而其他規律則不行呢。於是愛因斯坦大筆一揮，將「力學規律」換成了「所有規律」，並採用洛倫茲變換，得到更加普適的相對性原理。並且將時間與空間聯繫起來。

第二條光速不變原理或許有此不可思議，由它直接推出的時間變慢，尺縮效應更是讓人難以理解。其實很好解釋，因為我們生活中常見到的運動現象都是低速的，是觀察不到這些現象的。當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驗所證實。同時還解決了天空中的第一朵烏雲這一難題。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。這也就是為什麼在邁克爾遜－莫雷實驗中測得的移動條紋數為0.01遠小於0.1，以太根本就不存在，怎麼可能測得出來呢。他們不是沒想到，只是不敢去想，傳統思想的束縛實在太深了。以至於愛因斯坦在1905發表《論動體的電動力學》無人問津。這不是數學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，對準的將是一個全新的宇宙。

現在再來具體看看狹義相對論的相關推論，只有理解了它，你才有可能對相對論有進一步的認識。

1同時的相對性

2時間膨脹

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出質速關係，這直接得到了實驗的驗證，又由質速關係可以推出著名的質能關係：E=MC²。

接下來我們來看看閔可夫斯基四維時空。閔可夫斯基是愛因斯坦的大學老師，為了將時間與空間更加完美的統一，他從數學考慮將時間t乘以一個常數c變成空間的單位，並且考慮到對稱性再乘以一個虛數單位i，將時間與空間完美的放在了一起，從而形成四維時空，並取名為「world」,進一步完善了狹義相對論。

到此狹義相對論的發現之路基本完成。

縱觀狹義相對論的發現之路，並不是一帆風順的。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家從來都沒有在乎，他們真正追求是宇宙的本源，並為此默默奉獻一生。