現(xiàn)代物理學(xué)概論第三章

現(xiàn)代物理學(xué)概論第三章第一頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三第三章走近相對(duì)論第二頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三一、愛(ài)因斯坦愛(ài)因斯坦生于德國(guó)烏爾姆一個(gè)猶太小工廠主的家庭里，幼年時(shí)性格內(nèi)向且學(xué)習(xí)成績(jī)一般。他父母酷愛(ài)音樂(lè)，這對(duì)他產(chǎn)生很大影響，小提琴和數(shù)學(xué)物理一起，伴隨了他的一生。1905年是愛(ài)因斯坦的豐收年。這一年他26歲。1902年前后愛(ài)因斯坦展開了自己的學(xué)術(shù)生涯。他最初研究毛細(xì)現(xiàn)象，然后研究布朗運(yùn)動(dòng)、光電效應(yīng)和時(shí)空理論，發(fā)表了一系列重要論文。第三頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三1905年，除去博士論文外，他還連續(xù)完成了4篇重要論文，6月，發(fā)表解釋光電效應(yīng)的論文，提出光量子學(xué)說(shuō)；7月，發(fā)表布朗運(yùn)動(dòng)論文，間接證明了分子的存在；9月，發(fā)表題為《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》提出了相對(duì)論（狹義）；11月，發(fā)表有關(guān)質(zhì)能關(guān)系的論文，指出E=mc2，此關(guān)系是制造原子彈的理論基礎(chǔ)之一。在《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》中，愛(ài)因斯坦提出了開天辟地的新思想，拋棄了以太論和牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀。第四頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三在他提出相對(duì)論的劃時(shí)代論文中，充滿了難懂的革命性新思想，卻只用了當(dāng)時(shí)本科生就能看懂的數(shù)學(xué)工具，并沒(méi)有引用任何參考文獻(xiàn)。（很難通過(guò)審稿）愛(ài)因斯坦很幸運(yùn)，這篇論文的審稿人是水平高、思想活躍而又不壓制年輕人的普朗克。1915年，愛(ài)因斯坦又發(fā)表了廣義相對(duì)論，提出時(shí)空彎曲思想。相對(duì)論的時(shí)空觀念與人們固有的時(shí)空觀念差別極大，很難被普通人理解。人們都稱贊愛(ài)因斯坦偉大，但又弄不懂這偉大的內(nèi)容，人們不禁又想起了英國(guó)詩(shī)人波譜歌頌牛頓的詩(shī)句：自然界和自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說(shuō)：“讓牛頓去吧?！庇谑且磺谐蔀楣饷?。第五頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三在看到相對(duì)論后，又續(xù)寫道：但不久魔鬼說(shuō)，“讓愛(ài)因斯坦去吧”，于是一切又回到黑暗中。在物理學(xué)界對(duì)創(chuàng)造過(guò)程感到最快活的，就是徹低掙脫已知事物限制的人。越過(guò)已知事物的障礙，深入尚未探索的領(lǐng)域，擁有小孩子一般如實(shí)看世界的能力。悟道不難，維持初心才難！第六頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三二、洛侖茲收縮與洛侖茲變換相對(duì)論誕生前夜，物理學(xué)碰到的另一個(gè)難題。19世紀(jì)下半葉，麥克斯韋導(dǎo)出了電磁場(chǎng)方程。從麥克斯韋方程組得到一個(gè)重要結(jié)論：電磁波以光速傳播。且光速在只有以太的真空中是一個(gè)恒定常數(shù)。由伽利略相對(duì)性原理，物理規(guī)律在一切慣性系中都相同。麥克斯韋方程在所有慣性系中都成立，就是說(shuō)光速在任何慣性系中都應(yīng)是C按照牛頓的觀點(diǎn)，所有相對(duì)絕對(duì)空間相對(duì)靜止或做勻直運(yùn)動(dòng)的參考系都是慣性系，慣性系之間差一個(gè)相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度v。假如A,B都是慣性系，且它們相對(duì)速度是v，那么，光的速度若在A中是C，則在B中就應(yīng)是A+C或A-C。可麥?zhǔn)侠碚摐?zhǔn)確無(wú)誤地告訴我們：光速只能是C。第七頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三到底是什么因素導(dǎo)致以上矛盾？毛病出在哪里？當(dāng)時(shí)，以太理論在人們頭腦中根深蒂固，雖然物理理論遇到重大問(wèn)題，而且邁克爾孫實(shí)驗(yàn)也暴露出這一深刻矛盾，絕大多數(shù)人仍不懷疑以太的存在。為了保留以太理論，同時(shí)克服上述理論和實(shí)驗(yàn)上的困難，當(dāng)時(shí)最杰出的電磁學(xué)專家洛侖茲等人決定放棄相對(duì)性原理。他們想得留麥克斯韋的結(jié)論，同時(shí)解決邁克爾孫實(shí)驗(yàn)與光行差實(shí)驗(yàn)的困難。為此他們提出，以太相對(duì)絕對(duì)空間是靜止的，麥?zhǔn)侠碚撝辉谙鄬?duì)以太靜止的慣性系中成立。光波相對(duì)以太的速度是C，相對(duì)于運(yùn)動(dòng)系的速度不再是C。同時(shí)提出一個(gè)新效應(yīng)：相對(duì)絕對(duì)空間運(yùn)動(dòng)的剛尺會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向上產(chǎn)生一個(gè)收縮（洛侖茲收縮）。第八頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三洛侖茲收縮可以解釋為何邁克爾孫實(shí)驗(yàn)觀不到地球相對(duì)以太的運(yùn)動(dòng)，是因沿運(yùn)動(dòng)方向放置的鏡筒發(fā)生了洛侖茲收縮，縮短了光程，從而抵消了相對(duì)運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的光程變化。他們進(jìn)而認(rèn)為，洛侖茲收縮是物理的，會(huì)引起收縮物體內(nèi)部物理結(jié)構(gòu)的變化。并根據(jù)這理論，放棄了體現(xiàn)相對(duì)性原理的伽利略變換公式，導(dǎo)出了新的洛侖茲變換公式。洛侖茲變換的好處是，第一，可導(dǎo)出剛尺收縮公式；第二可保持麥克斯韋方程組在洛侖茲變換下形式不變。第九頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三三、突破絕對(duì)時(shí)空觀---相對(duì)論誕生歸納一下前面所述的困難：

光行差問(wèn)題---說(shuō)明以太相對(duì)地球有漂移，似乎存在絕對(duì)靜止的以太。邁克爾孫實(shí)驗(yàn)---沒(méi)有測(cè)到這種漂移。說(shuō)明要么以太不存在，要么地球和以太相對(duì)靜止（地心說(shuō)）。麥克斯韋理論和咖利略變換的矛盾。其實(shí)，以上困難可以歸納為兩個(gè)疑難：一個(gè)是光速是否恒定？一個(gè)是不論在物理還是在哲學(xué)上，我們都不能確定所謂移動(dòng)或不移動(dòng)是什么意思。第十頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三面對(duì)這兩大疑難，只有愛(ài)因斯坦用“初心”來(lái)看，看到的結(jié)果就是狹義相對(duì)論。愛(ài)因斯坦的第一個(gè)專業(yè)行動(dòng)就是大聲說(shuō)：“國(guó)王什么衣服都沒(méi)穿！”他的言外之意就是，“以太不存在”。狹義相對(duì)論的第一個(gè)信息是，既然以太檢測(cè)不到，而且也沒(méi)什么用處，我們就沒(méi)什么理由再找它。首先，以邁克爾孫實(shí)驗(yàn)為最，我們每一次檢測(cè)以太的努力都徹底失敗。其次，以太之所以沒(méi)用，是因?yàn)槿绻獾膫鲗?dǎo)可以看的是以太介質(zhì)的振動(dòng)，那么同也可以看做是能量在真空中的傳導(dǎo)。愛(ài)因斯坦清楚地說(shuō)：“電磁場(chǎng)，并不是一種介質(zhì)（以太）的狀態(tài)，也不隸屬于什么承載者。電磁場(chǎng)是獨(dú)立的實(shí)體，無(wú)法再化約成任何東西…”第十一頁(yè)，共十四頁(yè)，編輯于2023年，星期三由于愛(ài)因斯坦看不到國(guó)王的新衣而產(chǎn)生的第二個(gè)受害者是絕對(duì)空間（絕對(duì)靜止）。因?yàn)?，我們憑什么由于說(shuō)一個(gè)參照系絕對(duì)不運(yùn)動(dòng)，就使它比其它參考系“優(yōu)先”？我們先在理論結(jié)構(gòu)里設(shè)置這么一個(gè)特例，而我們的經(jīng)驗(yàn)體系里卻又沒(méi)有一個(gè)實(shí)體與之對(duì)應(yīng)，這是令人“不可忍受的”。愛(ài)因斯坦一舉推倒了兩塊物理學(xué)與哲學(xué)的大積木（以太與絕對(duì)非運(yùn)動(dòng)），下一步就是耍面對(duì)光速的問(wèn)題。不管觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何，光速永遠(yuǎn)都是每秒30方萬(wàn)公里，為什么？愛(ài)因斯坦靈機(jī)一動(dòng)，把這個(gè)問(wèn)題轉(zhuǎn)變?yōu)橐豁?xiàng)