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前文說到愛因斯坦論文發表了，一開始別人都沒注意，慢慢事情就鬧大了，別人都在打聽這個愛因斯坦在哪個大學工作啊，結果所有大學都沒回消息，結果別人找了半天發現他不在大學里，在專利局工作，搞物理屬于玩票，這里面就有愛因斯坦當年的老師明可夫斯基，明可夫斯基簡直不敢相信這事，那時候他給愛因斯坦上課后者老翹課，他也挺懊惱啊這愛因斯坦是個天才當年自己怎么就沒發現呢。 大概在1907到1908年之間愛因斯坦的論文就發表了并沒多久，隨后明可夫斯基就和希爾伯特一起研究愛因斯坦的論文，他們覺得這論文寫的太好了。他們倆全是數學家，他們就覺得一幫物理學家搞計算那肯定沒有數學家來搞的順手，覺得數學家很厲害啊，明可夫斯基就在大學里講愛因斯坦的理論，他覺得這屬于最新的科學成果理應讓學生第一時間知道。明可夫斯基就第一時間精煉了愛因斯坦的學說，他覺得應該把時間和空間同等對待，構成一個四維時空，但愛因斯坦就覺得這只是個噱頭，也就是聽上去厲害一點。后來愛因斯坦覺得這不僅僅是包裝這么簡單，明可夫斯基還是很厲害的，四維時空這個概念還是很有意義的，這種描述與事物的本質更貼切。 洛倫茲也聽說這事了，他看了愛因斯坦的論文推導公式心想怎么跟他自己寫的一樣，但是解釋的理論跟他的又完全不一樣，他其實不太同意愛因斯坦的說法，但這倆人的公式又一樣，他為了區分這兩個理論他就給愛因斯坦的理論起名叫相對論。愛因斯坦知道了覺得也OK吧，這名字也能接受，這名慢慢就傳開了，這理論就被叫做了相對論。物理界那幫大佬看到愛因斯坦這篇論文眼睛都發光，普朗克首先就肯定了愛因斯坦的理論，隨后能斯特和勞厄也表示這個理論挺靠譜，后來法國的居里夫人和郎之萬也表示這個理論沒問題。愛因斯坦的那篇論文其實格式都不是特別規范，因為他的論文沒有引用任何其他的物理論文，因為有好多東西他都不知道。當時那些論文在瑞士只有一本雜志上有，愛因斯坦很有可能都沒看過那個雜志。普朗克審核愛因斯坦的文章就覺得這論文太好了，就應當發表，當然了也有人完全無視這檔子事，這人就是龐加萊，他跟愛因斯坦兩個人都不提這事，記者問他們倆他們倆誰都不說，因為龐加萊覺得自己也差不多提出了這個理論，而愛因斯坦就覺得這東西肯定是自己搞出來的，這兩人見過面，一個覺得后生可畏，愛因斯坦這么年輕就能提出這個理論，另一個覺得對方是泰斗宗師，反正雙方都覺得對方挺不錯的。龐加萊在1912年就去世了，有數學界的人就給愛因斯坦寫了一封信，說要出個紀念文集來紀念龐加萊，結果愛因斯坦拖了4個月才回信，他就說自己在外面旅游，剛剛才收到信，現在看到信已經太晚了，寫也沒用要不就算了吧。結果偏巧組織者不死心，他說沒事，只要你寫就OK，晚就晚一點不影響。然后愛因斯坦又拖了兩個半月才回信，說自己太忙了抽不出時間寫啊，最后不了了之了，搞了半天他就拖了半年硬是沒寫。不過愛因斯坦在1921年的演講中還是很公正的肯定了龐加萊對于相對論做出的貢獻，愛因斯坦評價龐加萊是相對論的先驅之一，你看這話說的，那到底算龐加萊摸到了相對論還是沒摸到呢這個好像模棱兩可，而且還是先驅者之一，反正這話的意思就是肯定不能搶了自己風頭，這是龐加萊這邊。 龐加萊 有很多其他的物理學家表示自己完全不能理解這個理論，他們就根據愛因斯坦的相對論設想了一大堆稀奇古怪的情況，因為相對論真能推導出很多奇葩的結論，他們都覺得不太對勁，但是之前那些物理大佬都認了，所以這幫物理學家也不好吱聲，萬一自己提出來有啥問題都被別人笑話那也不太好。越厲害的物理學家越不說話，反而越年輕的學生越鬧的沸沸揚揚。常見的狹義相對論效應就那么幾個，最簡單的就是鐘慢尺短。兩個人相對運動，如果速度夠快，雙方就會發現對方的尺子相比靜止的時候縮短了。如果在靜止的時候兩個人把時間對好了，然后他們倆做相對運動，每個人都會發現對方的表慢了。愛因斯坦就說這是時空的收縮性，而用洛倫茲的話說就是這是相對于以太收縮了，洛倫茲就帶一幫學生去搞研究，相對于以太收縮了原子間的尺寸，那蜷縮之后會不會產生什么電磁效應啊，是不是相對運動的物體不同收縮的就不同啊之類的問題。愛因斯坦就認為壓根沒這回事，因為這是時空本身尺度引起的收縮，這不一樣，所以不會有那么多亂七八糟的效應，這就是個幾何效應而已。假如每個人運動狀態和其他人都不一樣，那就不要指望他們之間相互的時間和空間是完全一樣的，你看到的景象很有可能跟其他人就不一樣，不過它們之間是可以用洛倫茲變換進行換算的。有人就說空間尺度好辦，每個人拿個尺子，兩車交會的時候對比一下，倆人都覺得對方的尺短，這就測出來了這個好搞，那時間就不能這么測了啊，也好辦，在地上放一長串表，所有的鐘表全都校準，然后讓一個人帶著一塊校準的表做快速的相對運動，在運動的過程中和地上的表進行一下對比就可以看出來時間不一致了，會發現地上的表變慢了。既然如此，法國科學家郎之萬就提出了一個著名的雙生子佯謬，說有一對親兄弟年齡是一樣大的，一個在地球好好活著，另一個就坐火箭去宇宙里飛個幾十年再回來，回來之后就發現原本歲數一樣的兩個人在地球那個就變成老頭了，而坐火箭出去那個要年輕的多，這就是著名的雙生子佯謬。郎之萬是理解愛因斯坦理論的，但是這個問題他又不能不說出來，其實這個問題要到四維時空里才能解決，我們用普通的牛頓經典物理體系是無論如何也理解不了的。 雙生子佯謬 我們中學的時候學歐幾里德幾何知道了很多幾何學知識，也知道笛卡爾弄的那個坐標系。我們的空間就是一個三維坐標，叫做歐幾里德空間，明可夫斯基厲害之處就在于他把時間也算成一個維度，這樣就構成了一個四維時空，這個空間叫做偽歐幾里德空間，偽歐幾里德空間和歐幾里德空間很像但不它不是，也叫明可夫斯基空間，這個詞后面還會提到很多次。明可夫斯基空間就是我們日常生活中最普通的空間了，在之后還會遇到一些稀奇古怪的空間，比如說黑洞的內部。 一個人在地面上幾十年不動，那他就會在明可夫斯基空間的時間軸上畫出一條直線，因為人是原地不動的，所以他對應的空間坐標也不動，但是時間不可能停止，所以就在時間軸上一直畫著線。那個坐火箭飛出去的人他就在空間里畫的并不是一條直線而是一個弧線，這倆人一起出生了所以起點相同，而后面火箭飛回來倆人又碰面了因此倆人終點也是相同的，但這倆人在空間中走過的路線是不一樣的，那么長短自然也就不同，因此年齡就不相同了。在明可夫斯基空間里這是一個非常復雜的計算，就出現了一個很奇葩的結果，在地球上的人老的快，坐火箭出去那個人老的慢。有人就說了在地球上看火箭那是火箭跑了地球沒動，而在火箭上那個人看到的是地球跑而火箭沒動，你不是說運動都是相對的嘛，那互相看到的應該是對方的時間變慢怎么這一次只有一個人的時間變慢呢？那是因為火箭要完成這個過程必定會有一個加速和減速的過程，發動機一開始要瘋轉，到了最大速度才能做勻速運動，然后調頭回來的時候還必須轉個彎，靠近地球就必須要趕緊減速剎車，在這個過程里雙方就處于一種不對稱的狀態，這次造就了雙生子佯謬。這種結論是對的只是結果在我們看起來很奇葩的我們就叫做佯謬，說白了就是看上去是錯的其實是對的的結果就是佯謬。 當時有好多人都在研究相對論，很多人研究了一輩子都沒嶄露頭角，也有那種一頭霧就名垂青史的人，這人就喜歡背書，啥書都看啥課都聽，反正聽課不要錢，他還經常喜歡跟愛因斯坦抬杠，這人就是他在專利局的同事叫做貝索，不過這人沒啥科學成就，純粹就是一個愛好者。有次專利局的領導讓他去出差，結果他下了火車就給領導發電報說自己忘了這次來出差是要干嘛了，就這么一號人跟著愛因斯坦就名垂青史了，因為有天下午愛因斯坦找他聊天，就談起來這些年一直困擾他的事，就是之前我們說的火車被雷劈的思想實驗，那本質就是同時性的問題，如果要承認光速不變性的話那同時性就得完蛋。他倆聊到一半愛因斯坦突然靈光一閃，貝索那納悶怎么這人聊到一半突然就跑了，過了一個星期愛因斯坦那篇論文就出來了，愛因斯坦在論文最后還感謝了貝索先生，說貝索先生給了他很大的啟發才得以讓他寫出這篇論文，貝索后來也很感謝愛因斯坦，畢竟按照貝索那水平是無論如何也不可能憑自己能力在物理學史上留下一筆。 其實很多人離發現相對論就差臨門一腳，比如洛倫茲，比如龐加萊，因為物理學已經發展到那個地步了，就差最后那一下了。楊振寧曾經評價過這事，他大概意思就是洛倫茲沒啥遠見，只會就事論事，盯著眼前這點事干，而龐加萊就有遠見了，而且數學水平是深不可測，可是他沒有去做什么具體的實際工作，而愛因斯坦則是兩者兼備，因此才成了相對論的發現者。那時候大伙生怕自己領悟的不好，都在開腦洞研究相對論，畢竟相對論給的很多結論是很奇葩的，人們那種時空觀都被顛覆了。愛因斯坦自己知道這個理論是不完善的，因為有一個難題擺在眼前，那就是沒辦法定義慣性系。愛因斯坦的所有理論都是建立在慣性系之上的，洛倫茲變換的作用就是搞定各種各樣慣性系之間的換算的，而到了愛因斯坦這慣性系都沒法定義了這可要了老命。 啥是慣性系？說白了就是牛頓的運動定律，假如一個物體不受力，那么它要么就是靜止要么就做勻速直線運動，這個參考系就可以看做慣性系，牛頓的理論是絕對時空，有絕對時空在就好辦了，任何運動啊靜止啊都可以通過空間來判斷。愛因斯坦的相對論就把牛頓的絕對時空給廢了，那受力就沒法判斷了，時空都是相對的了那就沒法判斷受力了。不僅僅是這一個麻煩，還有另一個讓愛因斯坦頭大的麻煩，這個電磁力天生是符合狹義相對論原理的，因為之前麥克斯韋他們都是用牛頓的絕對時空觀，結果發現對不上，后來洛倫茲一改造，用洛倫茲變換一弄，寫出來就天生符合狹義相對論了，但是引力就頭疼了，這引力不管怎么寫都寫不到狹義相對論里，沒辦法寫成符合狹義相對論的那個形式，這也是一個麻煩。其實說起來我們都碰到過這種情況，一個系統哪里是個大坑哪里往往就是突破口，比如小學生都會的加減乘除的算術系統，里面就有一個很大的坑了，那就是0不能為除數，老師會說這根本沒意義千萬別這樣搞。后來到了中學和大學就知道這背后隱藏了一個東西叫做無窮大，從無窮大里可以得出一個概念叫極限，從極限里又能引出一個大學問叫微積分。數學里一個很小的坑，慢慢扯開就是一門很大的學問了，這樣的例子還有很多，比如說之前學的負1不能開根號，那老師就會說這個不要多問，反正是一件沒有意義的事，但后面的學習就會引出來一個東西叫復數，這也是一門很大的學問。再比如學尺規作圖的時候老師也說尺規作圖是不能把一個角三等分的，這背后又隱藏了一門大學問叫做群論。愛因斯坦目前碰到了兩個坑，這兩個坑還不是同一個，但愛因斯坦想了一下感覺這兩個坑還有點聯系，它們都跟質量有聯系，質量越大慣性越大，質量越大兩者之間引力越大，難道說這兩個坑之間是相通的嗎？一般來講一個物理量只管一件事，比如說溫度那就是管物體冷熱的，比如說長度那就管某個物體的尺寸，唯獨質量它管了兩件事，一個是慣性，另一個就是引力。如果說這倆東西是有關系的那倒好解釋，可是這倆誰也不挨誰，難道說背后另有隱情？愛因斯坦就各種想不明白了。 在奧林匹亞科學院大家一起讀書的時候有人就介紹了一本馬赫的書，上面就說了牛頓的絕對時空觀，提到了牛頓的一個思想實驗，那就是著名的水桶實驗。這個實驗是這樣的，一個桶里面有水，水處于靜止狀態，那水面肯定就是平的，隨著水桶開始旋轉那水也會跟著桶一起轉，于是水面就變成了凹面，這種情況大伙都看過，離心力讓水面凹下去了。如果說在水桶上裝一個攝像頭，通過攝像頭去看就會發現水桶是不動的但水面自己凹下去了，也不會覺得水在動，因為水和桶是相對靜止的。牛頓的意思就是通過這個就能判斷桶是靜止的還是旋轉的，假如桶相對于絕對時空是靜止的那么水面就是平的，如果水面凹下去了那桶就一定在旋轉，就因為有絕對時空的存在才能判斷，如果說一切都是相對的，那就根本無法判斷桶是否在旋轉了。但是這事是在馬赫的書里出現的，馬赫才不信這一套鬼話，他認為這都是一派胡言，那么究竟是怎么樣的呢？請看下回分解。 |
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