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…… “古哥古點”強烈建議您點擊上方音頻來收聽節目 …… 《破壞者！一路打洞的愛因斯坦！》 牛頓和愛因斯坦是物理界當然的兩位翹楚，他們相差236歲，同樣不是天賦異稟的神童，同樣在生命中一個普通的年份發生知識大爆炸，同樣最后走上神壇成為了物理世界的泰山北斗。但是他們之間也有顯著的不同，或許用一首短詩可以很好的概括他們之間的最大差異。 當牛頓取得了偉大的物理成就后，英國詩人波普曾寫了一首詩贊美他：“自然界的規律隱藏在黑暗中，上帝說，讓牛頓去吧，于是世界一片光明。”可是這首詩經過了200多年，到了二十世紀卻被一些促狹的年輕人補充了后面一句話：“然而不久后，魔鬼說，讓愛因斯坦去吧，于是世界重新回到黑暗之中。”這個有趣的詩句形象的說明了愛因斯坦和牛頓兩人帶給普通人感受上的一個最大不同：牛頓的理論，大家了解后，越想越覺得明白；愛因斯坦的理論，大家聽到后，越想越覺得糊涂。今天我們就嘗試用淺顯的話為大家解釋一下牛頓和愛因斯坦各自的思想起源。這要從他們設計的兩個理想實驗說起。
牛頓一生最主要的功績是建立了經典力學的完整框架，所謂牛頓三定律深入人心，現在的高中學生基本都能熟練掌握。當把物理世界的行為用數學描述出來時，必然牽涉到坐標系的引入，沒有坐標就沒法定義空間。可是一旦出現坐標系，就必須要處理不同坐標系下的換算問題。這在數學上不成問題，但是在物理上就需要首先考慮清楚參考系問題。簡單來說，就是需要回答對于不同的參考系，力學定律的適用性是否保持一致。 如果假設力學定律對所有的參考系都完全一致，那么不同參考系下的運動計算就變成了數學上最簡單的向量運算。而幸運的是，我們的直觀感覺告訴我們，世界真的好像是這種最簡單的情況。在伽利略時代，人們就意識到處在一個理想封閉空間里的人，是沒有任何辦法通過力學測量判斷出自己正在一列運動的火車上還是站在地面上，因為這兩個參考系中所有的力學表現都一樣。 不過這里有個前提條件，就是這兩個參考系必須相對是靜止或勻速直線運動的。如果這個條件不滿足，不同參考系的力學定律就會出現差異。比如在一列加速變快的火車上，你只要掛起一個小球，就會看到小球向后揚起一個角度，而在地面上小球將是靜止向下的。通過這點很容易區分出自己是在車上還是在地面。可見對于加速運動的參考系來說，力學定律適用性似乎出了點問題。就拿這個飄起來的小球來說，誰給了它飄起來的力量呢？按照牛頓第三定律，力是物體與物體之間的相互作用，力必然是相互的。但是此刻對這個飄起來的小球，似乎我們只看到了它受力的表現，卻找不到施加力的對象。這該怎么解釋呢？ 牛頓對此的解釋方法是增加了一個虛擬的力量：慣性力。什么是慣性力？牛頓認為力學定律對一切慣性參考系保持適用，而在加速的非慣性參考系中，則不再適用。如果想讓非慣性系的力學定律和慣性系保持一致，那么必須引入一個虛擬的力量。就像上述例子中的小球，處在一個加速運動的火車車廂中，沒受到任何別的力量的牽引卻能夠飄起來就是因為受到了虛擬的慣性力。實際上，這節火車車廂中所有的物體都要受到這種慣性力，它就像一個力場，進入其中就會受到其影響。發現了嗎，這個特點讓你想到什么？是不是很像地球引力的力場？是的，就是這種相似之處讓后來的愛因斯坦打開了廣義相對論的腦洞，從而證明慣性力的這種場和引力場其實是一回事兒。 當然這個時候的牛頓還沒有這種境界，他所說的慣性力只是牛頓第二定律的一種等效表達方式，通過慣性力的引入可以讓非慣性系的力學形式和慣性系保持一致，如此而已。但是這里還有一個問題需要解釋，什么是慣性系？定義中說靜止或者做勻速直線運動的參考系屬于慣性系，那這種靜止或者勻速直線運動最終是相對誰而言，這總得有個基準吧。牛頓早就給出了答案，他認為這個永恒的基準就是絕對時空。他說“絕對的、真正的和數學的時間自己流逝著，并由于它的本性而均勻地、與任一外界對象無關地流逝著。”“絕對空間，就本性而言，與外界任何事物無關，永遠是相同的和不動的。” 為了說明絕對時空的存在，牛頓設計了一個著名的水桶實驗。假設一個木桶放滿了水，先靜止不動，然后突然旋轉起來，轉了一段時間后，木桶突然停止下來。這個過程中，考察桶里面的水的狀態。開始水面靜止，當木桶突然開始旋轉時，水在這個瞬間必然仍然保持靜止，隨著一段時間過去，水面被木桶帶動轉起來，并形成彎曲的拋物面。當水桶后來突然停止時，由于慣性，水面仍然保持拋物面，并在最后趨于平靜。這個過程中存在兩個特殊的狀態瞬間：水桶開始高速旋轉時，水面卻是平靜的；水桶突然停下時，水面卻是旋轉彎曲的。可見水的狀態和木桶運動狀態無關，它只取決于水本身相對于絕對時空的運動狀態。 牛頓想用這個實驗形象的說明絕對時空的存在，然而他實際上沒有達到這個目的，因為早在牛頓的時代就有人提出了挑戰。這個人就是馬赫。馬赫是一個二流的物理學家，他唯一能讓今天人想起的就是馬赫這個速度單位，不過這不影響他對于牛頓提出的精彩質疑。馬赫認為絕對時空不需要存在，所謂的虛擬慣性力看起來也是畫蛇添足。慣性力不是沒有施加對象，只不過牛頓太笨沒有找到。慣性力的施加對象正是寰宇周天，萬事萬物。當一個物體發生加速運動時，地球、月球、還有其他各球，球星、球員還有酋長加總在一起，會產生一個合力，這就是慣性力。馬赫的回答很正確，因而排除了絕對時空存在的必要性，但是他沒有意識到，一旦絕對時空不存在，更嚴重的邏輯危機還在后面。在牛頓的體系中，慣性系的鑒別依賴于力學表現，而力學規律又依賴于慣性系的定義，這實際上構成了一個邏輯循環。如果存在絕對時空，那么這個循環可以被打破；如果絕對時空被取消，這個循環將難以得到克服。實際上，牛頓正是用絕對時空來解決這個難題的，只可惜他的解釋方法錯了，這個問題的真正解決則要靠另一位大牛愛因斯坦來完成了。
有個有名的說法，在十九世紀的最后一天，英國著名的物理學大師開爾文勛爵在科學院新年大會上發表元旦致辭。他說：物理學的大廈已經基本建設完成，未來的物理學家只需要做一些修補工作和測量工作。不過整個物理學的晴朗天空上還是有兩朵烏云，一個是光以太問題，一個是黑體輻射問題。正是這兩朵烏云最后成為了二十世紀的物理風暴，前者催生了相對論，后者催生了量子論。這個講話成為了物理學史上最經典的預言之一。 關于這個段子我已經在無數的期刊、網站、作品中看到過，然而他卻是不折不扣的段子。開爾文勛爵的確在英國皇家學會發表了一次演講，但是時間在1900年4月27日，根本不是什么新年致辭。他演講的題目是：“熱和光動力學理論上空的十九世紀的烏云”，根本沒談到物理學天空。更重要的是，這兩朵烏云的第二朵指的是能量均分學說，而根本和黑體輻射無關。可見，可能是太多人想把這篇經典演講打造成一語猜中相對論和量子論的神奇效果而故意臆造出來這樣的說法。但是用不科學的描述描述科學是不是本身就是一朵烏云呢？好了，我們今天要說的倒是第一朵烏云：光的運動。 光是什么？在牛頓時代及之后的很長一段時間內光被認為是微小顆粒組成的射流。正因為如此，很早的時候，拉普拉斯就根據微粒模型正確的計算出了黑洞存在的可能性及質量條件。他在《天體力學》的第一版和第二版都寫入了關于黑洞的研究，只不過那個時候的黑洞叫做暗星，就像他在書中所說：“這個世界上最明亮的星球卻很有可能因為巨大的引力而根本看不見。”但是到了這本書出到第三版的時候，黑洞的內容卻被撤掉了，原因是神童托馬斯·楊通實驗無可辯駁的證明了光是一種波動。既然光是波動，那么以粒子來看待光而得到的黑洞結論自然就被認為是不正確的了。 光的波動學說取得了極大的成功，但是卻有個致命的問題出現，即傳播介質問題。聲音傳播需要靠空氣，水波傳播需要靠水面，光的傳播靠什么呢？靠以太，一種想象中的東西，大家不妨把它理解為一種特殊的氣。但是以太這個氣看不見，摸不著，所以必須設計實驗來驗證其存在。于是邁克爾遜-莫雷精心設計了光速變化實驗希望驗證當地球在以太這種氣體中穿行時，向不同方向射出的光線的光速應該是有差異的。如果這種光速差異被實驗捕捉到，就足以證明以太的存在。然而實驗結果卻是不同方向的光速的差異不存在。對此只有兩種解釋，都令人難以接受。一種是以太不存在，光線的介質找不到。另一種以太存在，但以太這種氣相對于地球沒有運動。這怎么可能？以太是彌漫在整個空間中的，地球在這種氣體中穿行，卻不產生任何相對運動，豈不是匪夷所思。 由于當時經典力學的強大正統地位，否定以太是不可想象的，兩洞相權取其輕，所以當時的大多數人都圍繞著解釋地球為什么相對以太能夠保持靜止去做文章。比如著名的洛倫茨就提出了，在邁克爾遜-莫雷實驗中其實光速是有變化的，只不過由于以太的壓縮作用，讓光線走過的距離變短了，所以抵消了光速變化。 洛倫茨的這個想法極大的啟發了愛因斯坦，光線走過的空間可能改變。對啊！他敏銳地意識到這是解釋光速行為的關鍵。因為他自己曾經設計過一個理想實驗，叫做追光實驗。我的夢中情人是一個蓋世英雄，有一天他會駕著五彩祥云來接我，和我一起以光速飛翔。這個時候我扭臉一看旁邊的圣光，卻發現光線此時是在一個固定的地點發生電磁震蕩卻不向前移動一丁點。我當時就懵圈了，電磁震蕩沒有空間移動怎么能完成電磁場交替呢？我看到了這開頭，就想到了這結尾：光線是不能追上的。 這就是我常說的因果倒置的大腦洞。現在的邏輯順序是：從光是波動的認識出發，以太一定存在。而根據經典的牛頓時空觀，以太存在則光線在相對運動中異向的光速必然不同。而實驗中光速不變，其原因只能是光走過的空間受到以太影響而發生了縮短。這一套解釋你不覺得太羅嗦了嗎？其中平白無故的引入了一個多余的、難以驗證對象：以太。而這么復雜的解釋其所有目的只為了捍衛經典相對性。現在如果把思路反過來，把因果倒置，直接認為光速本來就是永恒不變的，那就不需要以太了，而順此推理下去，推翻的只不過是經典的時空觀，最后得出的結論是速度有上限，時空可壓縮。這樣一切不就都得到完美的解釋了嗎？ 不過如此一來，以太的環節雖然漂亮的剪掉了，但愛因斯坦就需要解釋光線在沒有介質的情況下如何來傳播。光線可是波動啊！愛因斯坦的腦洞繼續大開，誰說光線非得是波動？光線不是波動是什么？粒子啊！牛頓時代就提出了光是粒子，現在拿回來繼續用就行。粒子的運行自然不需要什么介質，真空中也可以傳播。愛因斯坦正是基于微粒學說，成功的解釋了光電效應，并為此榮膺諾比爾物理學獎。可是等等，你說粒子就例子啊，那前面托馬斯楊等人做的實驗難道是錯的？這么經典的實驗當然是無法置疑的，可是愛因斯坦的腦洞也真是足夠用，光線的本質為啥非要二選一呢？不是波動就是粒子？為啥不能同時即使波動又是粒子呢？這不就可以解決問題了嗎？這種怪異的特性還可以起一個好聽的名字：波粒二象性。 聽到這里，恐怕不太熟悉物理學的朋友也聽明白了，愛因斯塔的套路就是先把人們認定的板上釘釘的因果關系來個乾坤大挪移，然后顛倒的過程中，見山鉆洞，見水塔橋，最后稀奇古怪的搞出了一個解釋，而這就是著名的狹義相對論。難怪人們會說，愛因斯坦的理論讓世界重回黑暗，其中的腦洞真是又大又多，不過用愛氏風格的話來講，黑暗不就是另一種光明嗎？ SHE的歌曲里有幾句歌詞，我們稍加改動引用到這里，我覺得非常像牛頓和愛因斯坦的內心獨白： 手 不是手 是溫柔的宇宙 我這顆小星球 就在你手中轉動 請 看見我 讓我有夢可以做 我為你發了瘋 你必須獎勵我 “你是風，你是光，你是唯一的神話。”的確，牛頓研究的是低速運動的風，愛因斯坦研究的是高速運動的光，他們不僅是我們的神話，也是人類的SuperStar。 創業不易，耳娛心憩之余如有您偶或中意的節目期次，請幫我們隨手轉發。書不盡言！您的鼓勵是我們最大的動力。謝謝！ |
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