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      愛因斯坦是相對論的唯一創(chuàng)建者

      2016-03-14 02:50趙崢
      中國科技教育 2016年1期
      關鍵詞:以太光速愛因斯坦

      趙崢,1967年畢業(yè)于中國科技大學物理系,1981年于北京師范大學天文系獲碩士學位,1987年于布魯塞爾自由大學獲博士學位。曾任北京師范大學研究生院副院長、物理系主任、中國引力與相對論天體物理學會理事長、中國物理學會理事?,F(xiàn)為北京師范大學物理系教授,理論物理博士生導師、教育學博士生導師。

      相對論誕生之前,洛倫茲在1904年給出了電子的質(zhì)量公式。他是在研究電子在電磁場中的運動時提出這一公式的。根據(jù)這個公式,電子在運動時質(zhì)量會增大。當時的一些實驗,也支持運動電子的質(zhì)量會增加的觀點。

      愛因斯坦的相對論證明了質(zhì)量公式的正確性。相對論認為,這一公式不僅對電子成立,對任何物體均成立。當物體速度增加時,它的動質(zhì)量也會增加,當運動速度趨近光速時,動質(zhì)量會趨于無窮大,真有點令人不可思議。

      目前,對于動質(zhì)量能否算作質(zhì)量有爭議。一些科學家認為,只有靜質(zhì)量才是真正的質(zhì)量,動質(zhì)量不是真正的質(zhì)量,只不過是個為了運算方便而引入的符號而已。持這種觀點的好處是,質(zhì)量將是一個常數(shù)。不過,如果動質(zhì)量不算作質(zhì)量,則必須放棄質(zhì)量守恒定律?;玖W拥膶嶒灡砻?,一個電子與一個正電子相遇,會轉化為兩個光子。電子和正電子都有靜質(zhì)量,但變成光子后,靜質(zhì)量消失,光子只有動質(zhì)量。如果動質(zhì)量不算質(zhì)量,則質(zhì)量守恒定律將不成立。當然,光子還有能量,在這個實驗中,能量守恒定律依然成立。

      愛因斯坦在論文中是贊成動質(zhì)量是真質(zhì)量的觀點的。當然,有的研究材料說,愛因斯坦后來曾在私下表示過,可以接受動質(zhì)量不算作質(zhì)量的觀點,但是他從來沒有在公開場合或論文中說過動質(zhì)量不算質(zhì)量。

      愛因斯坦在1905年11月發(fā)表的有關相對論的第二篇論文中,提出了一個重要的公式E-mc2。這個公式稱為質(zhì)能關系式,它表明,質(zhì)量和能量好像是同一事物的兩個側面,任何質(zhì)量都含有能量,任何能量也都具有質(zhì)量。人們把質(zhì)能關系式顯示的、物質(zhì)蘊藏的能量稱為固有能。

      質(zhì)能關系式意義重大,它顯示任何一塊很小的質(zhì)量都蘊含著難以置信的大量固有能。l克任何物質(zhì)(例如水),它所蘊藏的固有能如果轉化為光能和熱能的形式,則相當于2萬噸TNT炸藥所釋放的化學能。在日本廣島爆炸的那顆原子彈,造成了巨大的損害,其實只是相當于幾克物質(zhì)的固有能被轉化成了光能和熱能。

      相對論開辟了新的無止境的能量源泉。質(zhì)能關系式告訴我們,自然界并不缺少能量,只是人類掌握它們的能力還不夠。核物理的發(fā)展,證實了這個公式的正確性。

      相對論獲得公認之后,一些人注意到,在相對論的發(fā)展過程中,許多人都有貢獻。

      在相對論誕生之前,洛倫茲提出了洛倫茲收縮和洛倫茲變換,洛倫茲變換正是相對論的核心公式。洛倫茲還給出了電子質(zhì)量公式。

      龐加萊首先正確闡述了相對性原理,一直堅持認為相對性原理不應放棄。他猜測真空中的光速是一個常數(shù),而且光速很可能是極限速度。他還建議通過光速來校準不同地點的鐘,使它們同時、同步。

      顯然,洛倫茲和龐加萊都對相對論的誕生做了重要的鋪墊工作。

      實際上,作出貢獻的還不光他們。洛倫茲是在1892年提出洛倫茲收縮的,但最早提出這一公式的是愛爾蘭物理學家斐茲杰惹。他聲稱自己早就在課堂教學中給出了這一公式,早于洛倫茲。他的學生們都力證這一點。但當時看到的他公開這一公式的文章發(fā)表在1893年,晚于洛倫茲。斐茲杰惹去世后,他的學生為了給老師討還公道,四處搜尋證據(jù)。他們想到老師以前曾給英國的《科學》雜志寫過一封信,談到這一收縮公式。但信寄出不久,這一雜志就倒閉了,斐茲杰惹以為該雜志沒有來得及刊登這封信,也就沒有強調(diào)這一證據(jù)。他去世后,那些忠實的學生們終于發(fā)現(xiàn),該雜志在倒閉前的倒數(shù)第2期上,刊登了這封信。那期雜志發(fā)表在1889年,早于洛倫茲的論文。所以,現(xiàn)在人們把洛倫茲收縮稱為洛倫茲-斐茲杰惹收縮,有人還建議應該稱作斐茲杰惹-洛倫茲收縮,因為斐茲杰惹發(fā)現(xiàn)這一公式比洛倫茲早。

      最早給出洛倫茲變換的也不是洛倫茲本人。1887年佛格特就給出了一個類似的變換,但各項都差了一個因子。1898年,拉摩首先給出了洛倫茲變換的正確公式。據(jù)說斐茲杰惹也早于洛倫茲得到這一變換。洛倫茲本人則是在1904年才給出這一變換的。

      但必須承認,無論是洛倫茲收縮還是洛倫茲變換,提出較為完整的理論(雖然有錯誤)并造成最大學術影響的還是洛倫茲本人。

      龐加萊對愛因斯坦的影響是巨大的。愛因斯坦在奧林匹亞科學院時期就曾閱讀過龐加萊的《科學與假設》等著作。在愛因斯坦建立相對論的文章中,不難發(fā)現(xiàn)龐加萊的影響。

      然而真正完成思想突破,構建起相對論的人只有愛因斯坦一個人。

      洛倫茲堅信絕對空間和以太,主張放棄相對性原理。龐加萊否認絕對空間的存在,堅持相對性原理,但他仍抱住以太理論不放。承認以太,實質(zhì)上還是承認絕對空間,以太本身就是絕對空間的實體。只有愛因斯坦一個人,不僅拋棄絕對空間,也拋棄以太。所以,只有愛因斯坦最徹底地堅持了相對性原理。這一點,是他深受馬赫影響的結果。馬赫認為,凡是看不見摸不著的東西,都不能承認共存在,他認為既不存在絕對空間,也不存在以太。馬赫的觀點深刻地影響著愛因斯坦,引導他走向了狹義相對論的創(chuàng)建,后來又引導他走向廣義相對論的創(chuàng)建。

      我們要特別提出的是,愛因斯坦與包括洛倫茲、龐加萊在內(nèi)的所有學者的最大不同是他提出了光速不變原理。由于發(fā)現(xiàn)這一原理,他終于認識到“同時”不是一個絕對的概念,而是一個相對的概念。在作相對運動的不同慣性系中,同時不是絕對的,而是相對的。一個慣性系中同時發(fā)生的異地事件,在另一個相對于它運動的慣性系中看就不是同時發(fā)生的。

      愛因斯坦認為,相對論與牛頓物理學的分水嶺,不是相對性原理,而是光速不變原理。光速不變原理直接導致了同時的相對性。同時的相對性是相對論的核心觀念,也是最難讓人弄懂的概念。

      愛因斯坦是光速不變原理及其推論同時相對性的唯一發(fā)現(xiàn)者。

      洛倫茲不承認相對論是自己的理論。他最初反對相對論,后來才慢慢承認了相對論的正確性。

      龐加萊則至死都沒有承認相對論的正確。愛因斯坦剛提出相對論時,曾經(jīng)指望得到數(shù)學大師龐加萊的支持。他在一次索爾維會議上見到了龐加萊(這是這兩位偉人的唯一一次見面,不久后龐加萊就去世了)。可開完會回來后,愛因斯坦很沮喪,對他的朋友說:“龐加萊根本不懂相對論?!笨磥睚嫾尤R沒有贊同他的理論。

      后來,蘇黎世大學準備聘請愛因斯坦當教授,寫信征求龐加萊的意見,龐加萊回復說:“愛因斯坦先生是我所知道的最有創(chuàng)造思想的人物之一,盡管他還很年輕,但已經(jīng)在當代第一流科學家中享有崇高的地位……不過,我想說,并不是他的所有期待都能在實驗可能的時候經(jīng)得住檢驗。相反,因為他在不同方向上摸索,我們應該想到他所走的路,大多數(shù)都是死胡同;不過,我們同時也應該希望,他所指出的方向中會有一個是正確的,這就足夠了?!焙髞淼难芯勘砻?,歷史與這位數(shù)學大師開了一個極大的玩笑:愛因斯坦在1905年指出的所有方向都是正確的。

      深深影響過愛因斯坦的馬赫,曾受到愛因斯坦的高度評價,但他也沒有支持相對論。當時馬赫還活著,他聽到愛因斯坦的工作后,表示“愛因斯坦的相對論和我的思想毫無共同之處,我斷然拒絕他的相對論?!闭媸谴笊凤L景。不久之后,馬赫就去世了。

      綜上所述,我們看到,雖然有很多人作了許多前期貢獻,但愛因斯坦是相對論的唯一創(chuàng)建者。對于這種情況,楊振寧先生曾有過精彩的評價:“洛倫茲只有近距離的眼光,沒有遠距離的眼光龐加萊只有遠距離的眼光,沒有近距離的眼光;只有愛因斯坦具有自由的眼光,既近距離又遠距離觀察問題?!彼运蔀榱讼鄬φ摰奈ㄒ粍?chuàng)建者。

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