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异端总能在时代上找到他们的位置。
早在1883年,奥地利物理学家马赫就写了一本名叫《力学及其发展的历史批判概论》的书,对牛顿的绝对时空观打出了反对的第一声炮响。“我们不要忘记世界上的一切事物都是相互依赖的,并且我们本身和我们的所有思想也是世界的一部分。”他写道,呵呵,直接质疑牛顿的绝对时间和绝对空间。他还更进一步指出“绝对时间是一种无用的形而上学的概念”。马赫的思想对后来的很多物理学家产生影响,其中包括相对论的创始人爱因斯坦。
另外一位“起义军”是亨利?庞加莱。这个人物,中国的朋友一定不会生疏。在去年,著名华人数学家丘成桐就向世界宣布,来自中国中山大学的教授朱熹平和旅美数学家曹怀东为“庞加莱猜想”的破解做了封顶工作,这“庞加莱猜想”的解决可是震惊中外的大事!我们中国同胞也着实高兴了一回。
这个“庞加莱猜想”的提出者正是我们这位仁兄。
“庞加莱猜想”在这里就不细说了,毕竟,那是数学上的问题,不过它的解决也将对物理学起到很大的影响。
庞加莱跟笛卡儿是“老乡”——都是法国人。他也跟笛卡儿一样,不仅数学不赖,物理学也不简单。或者说,庞加莱更拽一点,他可是“最后一个数学全才”!在各个数学领域都干得贼拉出色,都是顶呱呱的。“庞加莱猜想”就是最好的证明,呵!这一提出来,难倒你多少数学家呀,竟用了100年才证明出来!
要是你学习过非欧几何的话,肯定不会不知道庞加莱模型(对,就是用单位圆作为非欧平面那个),正是他的努力,才使得非欧几何被人更广泛地接受。
在物理学上,可以说,庞家军几乎是差不多要干掉经典物理学帝国,甚至政权都建立得七七八八了。
庞加莱1854年4月29日生于南锡,1912年7月17日卒于巴黎。少时就表现出了非凡的数学才能,在科学上具有很高的造诣。在经典物理学帝国政治腐败,民不聊生的末期。他揭竿而起,来势汹汹。
几年里,接连出兵,战绩累累。
首先指出想要证明物质相对以太的运动是不可能的,实际上将矛头对准了以太。
接着提出光速对于每一个观测者都应该是相同的。
还抗议说同时性是没有意义的。
写下了“质量应随速度的增大而增大”的庞加莱思想。
……
可以说,这些结论和后来的相对论是极其接近甚至是一样了(当然在这里先不细说了,后面将会详细说到)。庞加莱已经能够清晰地听到相对论的呼吸和心跳声,却由于无法用一个逻辑的体系将这些结论统一起来,最后与相对论擦肩而过,这多令人叹息呀!
似乎历史的重任注定要落在另外一个人身上……
与庞加莱是一个很厉害的数学家相比,洛伦兹更应该算是一个物理学家。但是,就是那么有趣,在解决经典物理学的危机中,两个人竟互相颠倒了过来——庞加莱提出了很多物理原理和思想,而洛伦兹却得到了一大堆数学表达式!
前面已经说到,洛伦兹提出了收缩假说的表达式,但是由于“来历不明”而并不被大家接受,而认为那只不过是乱来的小把戏。在1895年以及接下来的几年中,洛伦兹一直在这个问题上孜孜不倦,埋头苦干,不断用数学方法改进。并最终在1904年,他完成了《速度小于光速系统中的电磁现象》的论文,提出了一个变换式,这也就是后来以他的名字来命名的、相对论的基本变换式——洛伦兹变换(咱们后面再细细道来)。
洛伦兹一直没有跳出以太的条条框框(看来他的奥卡姆剃刀原理不太过关哟!^_^),他企图在经典理论的范围内解决问题,但是事与愿违,从他得到的理论中竟然得到了粒子质量随速度的改变而改变、时间会变慢、粒子在以太中的运动速度不能大于光速等与经典理论相矛盾的结论,令洛伦兹啼笑皆非,连连摇头。
虽是如此,与庞加莱一样,洛伦兹也不能算是真正发现了相对论。他的观念依旧无法超越经典物理学,他说“我们不能无条件接受光速极限”,还认为同时性是理所当然的,并且表明自己从不怀疑绝对时空。M.Born是这样评价洛伦兹的——“也许(洛伦兹)从来没有成为一个相对论者。”
而在此时,一个名叫科恩的物理学家也在一步步接近相对论,不过,都是可望而不可即。
从上面三个人的例子,我们不难感受到,时代发展到今天,物理学发展到这种地步,相对论已是呼之欲出了!它已经具备了降临世上的基本条件,甚至基本轮廓都已经呈现了,可以说是历史不可阻挡的潮流!接下来,就是要看是谁捡到这块蛋糕了。
爱因斯坦也表示过,如果没有他,狭义相对论依旧是会诞生的,它不是一个人的天才创造,而应该是时代的产物!
我想再强调一遍,狭义相对论应是时代的产物。认为相对论是爱因斯坦个人的杰作,那是对相对论的误解,是对历史的不尊,是对其他物理学家的忽视。
确实,只要我们仔细去回味一下之前的旅途,我们是可以明白这个道理的。牛顿为了解决麦克斯韦的光速问题,从经典的角度出发,提出一个方法。但是,随着时代的发展,人类能够接触到的东西更多了。于是,麦克尔孙和莫雷做了一个名垂青史的实验,结果证明牛顿的方法是行不通的。那就得找第二种办法呀!洛伦兹、庞加莱等人就担负起了这个责任,并且向前走了一大步,离最终目标也只有一步之遥了。可以说,这时候,相对论是水到渠成,历史潮流。
绝非一个人可以创造一个超出时代的奇迹。
英雄也得向时代低头。毕竟,谁能一眼望穿天下事,只有时代的发展,人类方能获得更多的认识。
可是,反过来想,捡蛋糕的人也得有点水平吧?呵呵,可不是每个人都能捡到蛋糕的哟!从这个角度上看,爱因斯坦又确实拥有过人之处。
好了,一路走来,到了这儿,已经是1904年。此时此刻,距离那个光辉的时刻只有一年了!
回头看看经典物理学大厦,那天梯在不停地晃动,整幢大厦岌岌可危。只要有一个轻轻地一推,所有一切都将化为灰烬。黑云压城城欲摧,暴风雨必将来临,革命在所难免。
不过,我们得折回到25年前,去迎接那个将来要推倒这幢大厦的英雄。一瞥他的童年和成长历程,思考一下他的成功究竟是偶然,还是必然。
没错,咱们到最近的德国南部的那间小旅馆里去歇一会儿,洗洗尘,睡个好觉……
第三章 人类科学的异端
之所以不顺着麦克尔孙…莫雷实验直接进入狭义相对论,而来个转折回到爱因斯坦的成长历程,原因有二:一是按笔者个人感觉,爱因斯坦的童年对他以后的成就和人格有很大的决定作用,他小时候受到的一些影响,在他以后的生活和研究中留下了深刻的印记。如果我们可以透过这些去看相对论和科学的话,将会加深我们的理解以及思考的空间。
二是爱因斯坦曾经说过,他发表狭义相对论之前,并不太清楚麦克尔孙…莫雷实验,可以说,麦克尔孙…莫雷实验对他完成相对论的创建没有起到太大的作用。在我看来,这是可信的。因为爱因斯坦的人格可以首先给出肯定的答案,他一生同情弱者,信奉真善美,充满正义感;再一个,爱因斯坦成长中所养成的那种对美的追求和思维,使得他能够独立从对规律的信仰的角度来发现相对论,而不一定要从具体矛盾出发。因此,从爱因斯坦的角度出发,麦克尔孙…莫雷实验跟狭义相对论没有必然的因果关系。
正因如此,我决定插叙爱因斯坦的成长故事,希望诸位可以得到更多的体会和启示,也可以看看我上面说得有没有道理,同时还可以增添这篇文章的趣味性,而不只是单纯的理论介绍和讨论。
不再罗嗦了,走吧。
1879年3月14日。
德国南部的乌尔姆小镇。
一个名叫阿尔伯特?爱因斯坦(Albert Einstein)的婴孩呱呱坠地。
谁也不会想到,这个婴孩,未来将改变人类的科学史,甚至改变人类的历史。
一切都是那么的平常,跟平时没有什么两样。
或许,也只有这样的平常才能衬托得出这样的伟大。
两岁时,小阿尔伯特都还没有开口说话,不过医生做了检查之后,说他不是不会说话,而是在思考什么(慧眼识英雄)。正是这个爱思考的习惯,一生伴随着爱因斯坦,并且成就了