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1.16 经验和狭义相对论

对于相对论来说,实验能够在多大程度上去支持它呢?这是一个难以回答的问题,我们在讲述斐索实验时已经说过。狭义相对论从麦克斯韦和洛伦兹提出的关于电磁现象的理论中演化而来,因此,只要支持电磁理论的实验就会和它相一致。在此,我要说明的是,相对论可以帮助我们预测地球相对于恒星的运动对从恒星传到地球的光所产生的效应,我们已经证实这些效应和经验相一致,这里所说的效应指的是地球每年绕着太阳运行产生的恒星视位置的周年运动 (光行差 和恒星相对于地球的运动的径向分量从恒星传播到地球后对光的颜色的影响。这个结果显示,相对于地球上的光谱线来说,从恒星上传播到地球上的光谱线的位置有了细微的变动 (多普勒原理) 。这样一来,有许多实验数据都证明麦克斯韦—洛伦兹理论和相对论是正确的。实际上,这些实验数据对可能性理论有着极大的限制,也许只有麦克斯韦和洛伦兹的理论能够符合这种要求。

不过,如果想要用麦克斯韦—洛伦兹理论去表达两类得到证实的实验,那就需要引入一个辅助假设,当然,只有借助相对论才能让这个辅助假设和麦克斯韦—洛伦兹理论联系在一起。

大家都知道,阴极射线 和放射性物质发出的射线 是由带着负电的粒子 电子 )组成的,这些粒子的惯性小、速度大。研究电场 和磁场 对这些射线的影响,我们就能发现这些粒子的运动规律。

电气力学无法解释清楚电子的本性,这导致我们在使用其中的理论对电子进行描述时困难重重。由于电子具有排斥性,这使电子的正电或者负电在其本身的影响下会分开,否则它们之间一定存在着另一种力,但我们一直不明白这种力的本质。现在,如果我们假设在电子的运动过程中,电子之间的相对距离不会发生任何变化 (经典力学中所说的刚性连接) ,那么,我们得出的电子运动定律不符合实际经验。H·A·洛伦兹根据纯粹的形式观点进行了这样的假设:电子的运动导致电子的外形在运动方向上产生收缩,收缩的长度和 是正比关系。虽然电动力学的事实没有证明这个假设是正确的,但让我们得到了一个特殊的运动定律,近几年证明这个运动定律有着很高的精确度。

通过相对论可以得到类似的运动定律,不需要对电子结构或者行为进行任何假设。在本章的第十三节中,斐索实验结束时我们得出的结论与此相似,实验的结果完全符合相对论的预言,我们无需借助关于液体的物理性质的假定。

我们的第二类事实和能否用地球上的实验去证明地球在空间中的运动这个问题有着紧密的联系。在本章的第五节中,我们已经说过关于这类问题进行的努力都是徒劳无功的,得出的结果都被否定了。在创立相对论之前,人们难以接受这个结果,下面我们来解释一下原因。

由于受到传统偏见的影响,人们对于伽利略变换在从一个参考物转换到另一个参考物中占有的重要地位深信不疑。如果麦克斯韦—洛伦兹方程适用于参考物 K ,坐标系 K 和相对于 K 进行匀速运动的坐标系 K' 之间可以进行伽利略变换,那么,相对于坐标系 K' 来说,这些方程无法成立。由此可知,在所有的伽利略坐标系中,这个系统所对应的是有着特殊状态的坐标系 K ,而且它还具有物理的唯一性。在物理中是这样解释的:对于假定空间中的以太来说, K 处于静止状态,而相对于 K 进行运动的所有坐标系 K' 都被认为相对于以太进行运动,由于 K' 相对于以太在运动 (相对于 K' 的“以太漂移”) ,所以曾经假定的符合 K' 的运动定律变得复杂起来。严格来说,对于地球而言,应该假定这样的以太漂移是存在的。因此,物理学家们花费了几百年的时间去探测地球表面是不是存在着以太漂移。

在这些探测中,最有价值的是迈克尔逊提出的具有决定意义的方法。假设我们把两面镜子安装在一个刚体上,让两面镜子的镜面相对,相对于以太来说,如果整个系统是静止的,那么,光线从一面镜子照射到另一面镜子上,然后再反射回来需要使用的时间 T 是一个确定值。通过计算得知,相对于以太来说,如果这个刚性参照物和镜子处于运动状态,那么,这个过程需要的时间 T' T 有着微小的不同。此外,计算显示,如果刚性参照物和镜子相对于以太的运动速度是 v ,那么,相对于镜子垂直平面运动需要的时间 T' 不同于相对于镜子平行平面运动需要的时间 T' ,尽管这两个时间的差别非常细微。不过,迈克尔逊和莫雷借助光的干涉进行的实验没有观察到这两个时间的差别,这种结果让物理学家们觉得非常困惑。后来,洛伦兹和斐索所做的实验解决了人们的困惑:当物体相对于以太进行运动的时候,假设物体在运动方向上会产生收缩,而收缩的量正好可以弥补时间上的差异。与本章第十二节的内容相比较,我们可以得出这样的结论:这种解决问题的方法也许符合相对论的观点。不过,只有在相对论的基础上,解释方法才能让人们心服口服。根据相对论得出,不存在以太漂移,更不存在演示以太漂移的实验,因为不存在“特别卓越的” (唯一的) 坐标系用来引入以太观念。在这里,通过相对论的两个基本原理推导出了运动物体的收缩性质,并没有借助于任何特定假设。至于造成收缩的主要因素不是运动本身 (运动本身没有任何意义) ,而是相对于所选择的参考物的运动。例如,当一个坐标系和它的参考物地球一起运动时,迈克尔逊和莫雷创立的镜面系统会保持原样;当一个坐标系对于太阳来说处于静止状态,对于这个坐标系而言,镜面系统缩短了。

1.16 经验和狭义相对论

在这一节中,爱因斯坦认为只要符合电磁理论的经验事实就会符合相对论,相对论不仅可以预测出从恒星传播到地球的光产生的效应,还可以推导出电子在运动过程中外形发生收缩的运动定律。最重要的是,不同于洛伦兹收缩假说,相对论可以解释清楚以太漂移的零结果,还说明造成这种收缩的主要因素是相对于参考物的运动,而不是运动本身。

反对意见

有些人有着不同的意见。他们觉得,有经验事实的支持并不能说明假说是正确的。当在地球上或者伽利略大船中进行以太漂移实验的时候,由于光源、观察者、“以太”之间没有相对运动,所以相对论的解释显得有些累赘。而在讨论电子的时候,由于我们无法看见电子的外形,所以无法验证相对论的推导。至于观察光的多普勒效应时,光源和观察者之间的相对运动导致了光谱频移,所以相对论的预言不正确。

由此可知,狭义相对论针对物体波动的相对性问题进行的假说,不仅无法得到经验事实的支持,而且只是使用光的多普勒效应的经验事实就可以彻底推翻这个假说:由于在波源和随时随地产生的波之间不存在速度相加不变的相对性关系,所以才会产生“双星实验”等相对波源的光速恒定的经验事实;由于无需传播介质的波和真空之间尽管存在着速度相加可变的相对性关系,但真空并没有运动速度,所以才产生了“以太漂移实验”零结果的光速恒定的经验事实;由于在静止的介质、真空中传播速度恒定的波、光与参考系之间存在着速度相加协变的相对性关系,所以才会出现对于观察者来说是光谱频移效应的经验事实。

因此,相对论的谬误根源是假设光源和介质、参考系或者观察者之间满足速度相加不变的“光的传播定律”,即爱因斯坦一直不敢说明公式的“光速不变原理”。这样说来,虽然爱因斯坦在提出相对性假说时,也许没有注意到这个公式(当 v ≠0时, c v c 成立)在数学上是无法成立的事实,但在描述其荒诞性思想时,他肯定注意到了这个会摧毁相对论的事实,所以才会对欧氏几何、经典力学、伽利略变换、洛伦兹变换、电动力学、非欧几何、狭义相对论、广义相对论这些理论进行阐释,甚至还讨论了宇宙空间和弯曲时空的理论,唯独没有解释这个简单得连“学校中的儿童”都无法认可的算术公式。爱因斯坦的目的显而易见,那就是不让思维缜密的物理学家们认识到这个简单定律的错误之处。

爱因斯坦生命中的重要标记

原子弹 虽然人们常常将爱因斯坦称为“原子弹之父”,但他和原子弹之间没有直接联系。我们来看一下他自己是怎样说的:“我从来不觉得我是释放原子能之父。事实上,我没有想到我活着的时候可以看见原子能释放。我只是认为这在理论上是成立的。”原子弹在广岛和长崎爆炸之后,爱因斯坦为了阻止原子战争积极奔走。

黑洞 爱因斯坦在广义相对论中表明,引力场会使空间弯曲。据此,理论物理学家认为,引力场的极致会导致时空无限弯曲,从而使光无法透出,这就形成了“黑洞”。虽然爱因斯坦不相信存在着黑洞,但以霍金为首的物理学家们用无数的证据说明,那个可以吞噬一切的黑洞绝对不是传说。

中国 1922年,在日本改造社的邀请下,爱因斯坦前往日本讲学,往返的途中都经过了中国的上海。当他在上海的时候,得知自己获得了诺贝尔物理学奖。中国人眼中的爱因斯坦是一个相貌平凡但和蔼可亲的绅士,看起来就像是一名普普通通的乡村牧师。他对中国人的印象是勤劳、善良、饱受挫折、愚钝、不开化,但非常健全。

微分几何 在爱因斯坦提出的广义相对论中,微分几何是重要的数学工具。在微分几何中,平行线可以交叉,直角可以弯曲。

艾尔莎 艾尔莎是爱因斯坦的第二任妻子,她的性格和爱因斯坦的第一任妻子米列娃的性格截然不同。卓别林曾经说:“她是一个身宽体胖的女子,永远充满了生机。她坦然地做着这个大人物的妻子,从来没有隐瞒过这个事实。”不过,爱因斯坦和她匆忙地结婚,最后发现这个婚姻是失败的。

自由 在谈论自由的时候,爱因斯坦多次引用人们评价海涅的话:“他为上帝服务,这个上帝是最伟大的,因为他比所有的奥林匹亚诸神都要伟大,他就是自由上帝。”对于19世纪50年代美国政府推出的政治迫害和破坏科学自由交流的政策,爱因斯坦为了争取学术自由说:“我宁可去做一名管子工。”他为了争取公民自由说:“公民自由指的是人们可以用语言表达自己的政治信念。”

上帝 爱因斯坦曾经郑重声明:“我信仰的是在存在事物中有秩序的和谐中表现出来的上帝,而不是决定着人类的命运和行为的上帝。”

好莱坞 爱因斯坦觉得好莱坞的电影特效非常神奇,他最崇拜的明星是玛丽·碧克馥,他也非常喜欢卓别林的电影。有一次,爱因斯坦在写给卓别林的信中说:“我非常钦佩你,世界上的每一个人都能看懂你的电影《摩登时代》,你肯定会成为一个伟人。”卓别林在回信中说:“我更钦佩你,世界上没有人能够懂得你的相对论,但你已经成为一个伟人。”

犹太人 1879年3月14日,爱因斯坦出生于一个定居在德国乌尔姆的犹太家庭中。1933年,希特勒执政之后,他由于自己的身份被迫离开德国。

当爱因斯坦年轻的时候,他喜欢写“打油情书”送给女孩子。1899年夏天,爱因斯坦在苏黎世度假时认识了安娜·施密德——一家旅馆主人的小姨子,应邀在她的照片簿写下:

姑娘小巧又美貌

为你写些什么好

我会想到许多事

包含一个小亲亲

落在你的小秀唇

你若因此而生气

不要马上去哭泣

惩罚我的好办法

就是还我一个吻

米列娃 米列娃·玛丽奇是爱因斯坦的第一任妻子。人们熟知的是,她在1919年和爱因斯坦协议离婚,两年后得到了爱因斯坦所获得的一部分诺贝尔奖金;人们不知道的是,她是欧洲第一个学习数学的女大学生,她为了丈夫的事业放弃了自己的爱好,无怨无悔地支持丈夫。由于性格的差异,她和爱因斯坦最终走上了离婚的道路。

诺贝尔奖 在1910年到1922年的这一时期,除了1911年和1915年之外,爱因斯坦每年都是诺贝尔物理学奖提名,直到1922年,他才获得了诺贝尔物理学奖,获奖原因是他发现的光电效应定律,而不是大名鼎鼎的相对论。

总统 1952年11月9日,以色列总统魏茨曼逝世之后,以色列总理古里安邀请爱因斯坦担任以色列的总统,这个决定举世震惊。虽然爱因斯坦感觉非常荣幸,但他还是婉言拒绝了,他认为自己的年龄太大,而且没有任何经验,无法胜任总统。

量子理论 1905年,爱因斯坦提出的光量子理论奠定了早期量子论的基础。

相对论 在经典力学中,牛顿力学认为时间和空间都是绝对的。1905年,爱因斯坦提出物体处于匀速运动状态时,随着速度的增加,不仅质量会增加,而且空间和时间也会发生变化,产生相应的尺缩效应和钟慢效应,这就是狭义相对论。

从1907年到1915年的八年间,爱因斯坦从匀速直线运动拓展到非惯性系,于是广义相对论诞生了。

小提琴 当爱因斯坦九岁的时候,他的母亲就让他学习小提琴,虽然他小时候不喜欢这件事,但成年后音乐始终是他的伴侣。爱因斯坦喜欢的小提琴家有莫扎特、巴赫、舒伯特、亨德尔、维瓦尔第,他几乎每天都要拉小提琴。他经常使用的小提琴的名字是“莉娜”。

光是波还是粒子?从牛顿和惠更斯生活的时代开始,物理学界一直在讨论着“微粒说”和“波动说”。1905年,为了解决麦克斯韦电磁学理论和经典力学的矛盾冲突,爱因斯坦提出了光量子理论,表明了光的波粒二象性。

奇迹年 1905年,爱因斯坦发表了五篇具有开创性意义的文章,从而使这一年成为了从牛顿经典力学向现代物理学转变的起点,所以这一年叫做“奇迹年”。

电子:最早发现的粒子,带着负电,电荷量是1.602117×10 -19 库,这是电荷量的基本单元,电子的质量时0.91093897×10 -30 千克,常常用字母e表示。 9VH5tdjiGockyk1s5IQOpZvB+MqBis6BnPKXqp6WhtM+k2DY0CYrwnimsns689AH

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