众手托起爱因斯坦

一、晴空中的乌云——风暴即将来临

十九世纪的最后一天,欧洲最睿智的大脑欢聚一堂,并由其中最负盛名的开尔文爵士发表了新年致辞,爵士回顾了十九世纪物理学的成就,指出物理学大厦已经建成,剩下的只是一些修饰工作,但是,爵士还是谨慎地指出了当时物理学的两朵乌云,一是迈克尔逊——莫雷实验,一是普朗克的黑体辐射,爵士的谨慎使得他在这场花样打脸大赛中保留了些许尊严,因为这两朵乌云带来了漫天风暴,彻底颠覆了经典力学。

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开尔文爵士

开尔文爵士很谨慎,但狂妄者却大有人在,早在十九世纪初,拉普拉斯就借拉普拉斯魔之口来宣告了牛顿的天神地位,在拉普拉斯看来,牛顿力学已经是终极真理,人类完全可以依靠牛顿力学推演出宇宙每一个角落的过去和未来,拉普拉斯一定是过于狂妄了,因为此时另一位天神麦克斯韦还没有出生,电磁理论还基本是一片空白。

即便电磁学理论出现之后,人类的狂妄也没有减少,物理学家基尔霍夫,现在串并联电路中电压电流的关系就出自他手,同时他还是普朗克的老师,就曾经说过“物理学已经无所作为,往后无非在已知规律的小数点后面加上几个数字而已”。

只有睿智的麦克斯韦对狂妄的人们提出了忠告,1867年在对法拉第的悼词中,麦克斯韦说道:以今天收集到的科学证据为基础,也许下一位如法拉第般伟大的哲学家能发展出全新的科学,而我们今天很可能对此一无所知。

麦克斯韦所说的科学证据就是光速,依据麦克斯韦方程,真空中的光速是一个常数,而这意味着电磁定律不满足伽利略变换,而伽利略变化是牛顿力学的基石,按照牛顿力学的时空观,这个结论应当只在某个特定的绝对静止的惯性参考系中成立。而牛顿却不能证明这个绝对静止的惯性参考系存在。

匆匆去来的麦克斯韦提出了对牛顿的质疑,但是并没有完成对牛顿力学的颠覆,不过他提出了思路,要由哲学家来完成这全新的科学,既然点名了,马赫就第一个跳了出来。

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恩斯特.马赫

马赫,奥地利物理学家哲学家,实证主义大师,现在飞行器的速度单位就是以他的名字命名,著名的牛顿第二定律的表达式F=ma也是他提出。

马赫在1883年出版的《力学史评》中指出“能够且必须把这些感觉和感觉的复合作为那些证据的唯一内容,因此就不需要额外假设感觉后面隐藏有一个未知的实在”,并且以此反对牛顿超验的绝对静止的惯性参考系存在,马赫这一击直接直接撼动了牛顿力学的基础。

马赫以实证主义在哲学上批判了牛顿,但是并不能让牛顿的追随者信服,既然牛顿力学没有绝对静止系,那么就创造一个出来,物理学家们想到了以太。

二、以太——上帝的隐身之所

以太是亚里士多德提出的概念,亚里士多德认为世界除了地火水风之外,还有居于天空之上的以太,其后,笛卡尔、牛顿也承认以太的存在。

十九世纪,托马斯.杨做了光的双缝干涉实验,证明了光是一种波,随着光的波动说占上风,以太理论达到极盛,当时认为,既然光是一种波,则必然存在一种介质使其传播,在宇宙间,这种介质就是以太。

麦克斯韦也提出了“光就是产生电磁现象的媒质(以太)的横振动”,这样,以太就成了横跨牛顿力学与电磁学的超级存在,物理学变成了以太的物理。

可是以太到底是什么呢?物理学家们却有些头疼,因为以太实在是难以描述,其性质难以捉摸,首先其刚度极大,否则无法作为光的介质,光的速度太大,可以简单用声音类比一下,在空气中声音的速度是340m/s。而在钢铁中的速度是3400m/s,而光的速度是3×108m/s,那么以太的刚度太大了,简直是坚不可摧;同时以太的弹性也要极高,要极其稀薄,否则物体穿过以太就受到阻力,至少要比空气稀薄,我们奔跑时都能感到空气的阻力,可是谁又感到过以太的爱抚。

简而言之,以太就是上帝般的存在,可以想象,但是不可以描述。

物理学家很头疼,诗人却很自信,诗人普希金写道“静夜的和风,象以太一样流动”。普希金用夜风似有似无的感觉形象地描述了以太,不得不说,对世界的感知上,还是诗人更胜一筹。

这也可以看出当初以太概念传播范围之广,简直是全民狂欢,其实不止是当年,直到今天,以太这个概念还影响着我们的生活,例如以太网。

期间,唯一对以太抱以微词的是法拉第,他试图用场的概念来取代以太,只是场的概念太超越时代了,连他的衣钵传人麦克斯韦都承认以太的存在,更何况他人,法拉第的正确观点就象一朵浪花随着他的去世也随之消散。

虽然以太难以理解,但物理学家还是要证明其存在,每次科学似乎走到尽头的时候,都会有实验物理学家来推开大门,例如托马斯.杨的双缝干涉实验,法拉第的电磁感应实验,这一次又要实验物理学家出场了。

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阿尔伯特.亚伯拉罕.迈克尔逊  
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爱德华.威廉姆斯.莫雷

阿尔伯特.亚伯拉罕.迈克尔逊,波兰裔美国物理学家,一生致力于光学研究,发明了迈克尔逊干涉仪,爱德华.威廉姆斯.莫雷,美国物理学家化学家,和迈克尔逊一起完成了实验。

两人都是以太理论的支持者,在开尔文爵士的鼓励下,在1887年,进行了著名的迈克尔逊—莫雷实验,实验的初衷是为了证明以太的存在。

既然以太是绝对静止的,而地球是运动的,那么一定存在地球相对于以太的速度,如果测出了这个速度,就证明了以太的存在。

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迈克尔逊——莫雷实验示意图

如图所示,图中G是半镀银镜,M1和M2是两反射镜,互相垂直,GM1=GM2固定不变。从光源S发出的光经P分为两束,再经M1、M2反射后到达光干涉屏处。因为来自同一束光,所以这两束光是相干光。假设地球相对于以太沿GM2运行,那么光经GM2来回的时间要长,这两束光在相遇时有一定的相位差,因此从光干涉屏处应该看到这两束光的干涉条纹。

可是他们没有看到干涉条纹,作为严谨的物理学家,两人又提高实验精度,多次重复实验,结果还是没有看到干涉条纹,这个零结果对于物理学来说,无异于世界的崩塌,但出于对事实的尊重,毕竟尊重事实是科学的第一准则,两人还是公布了实验结果。

实验结果让物理界有些恐慌,但物理学家们还是自信可以修正这个结果的,洛伦兹就对实验的零结果做出了自己的解释。

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亨德里克·安东·洛伦兹

亨德里克·安东·洛伦兹,荷兰物理学家,电子论的创始人,运动电荷在磁场中受到的力就叫做洛伦兹力,就是以他的名字命名。

既然实验结果不会错,牛顿更不可能错。作为牛顿爵士的迷弟,洛伦兹是断不会承认偶像犯错,那么肯定会存在一种转换来协调偶像和实验之间的关系,例如会不会时间变慢了,长度变短了。

1904年,洛伦兹提出了洛伦兹变换,洛伦兹认为在迈克尔逊——莫雷实验中,之所以是零结果,是因为在测量过程中,光传输的距离变短了,而时间也变慢了,如果考虑这个因素,那么就可以解释迈克尔逊—莫雷实验的零结果。

如果当时有一个脑洞大赛的话,洛伦兹肯定是当之无愧的冠军,脑洞大开是物理学家的天赋,当年的哥白尼,后来的牛顿、麦克斯韦都是脑洞奥运会的金牌获得者,不过以前的金牌选手都是使人类对世界的描述更简单,哥白尼用日心说取代了托勒密复杂的地心说,使天文学面貌为之一新,爵爷用清晰的牛顿力学统一了天和地,麦神则用四个方程简化了电磁学,而洛伦兹的脑洞却让世界更加复杂。

但不管怎么说,洛伦兹变换完美地协调了迈克尔逊——莫雷实验和牛顿力学的关系,暂时仅仅是暂时扶住了牛顿的神像,可是也错失了历史给予他的最大机会,尺缩钟慢是狭义相对论最基本的推论,洛伦兹已经推开了物理学革命的大门,可他由于对牛顿的崇拜却没有朝门里面看一眼,偶像崇拜真是害死人啊!

三、魔鬼出世——麦克斯韦的转世人

与此同时,在瑞士伯尔尼专利局有一个小书记员也在关注物理学的前言,他就是阿尔伯特.爱因斯坦。

爱因斯坦,生具异象,魔鬼转世,他出生那一年,伟大的上帝代言人麦克斯韦去世,他似乎命中注定就是接替麦克斯韦的物理学革命者。不过当时的爱因斯坦极其普通,仅是一个普通的大学毕业生,还是托人找了专利局书记员这个仅以糊口的工作。

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少年爱因斯坦

虽然身处凡俗,但爱因斯坦的心一直在天上,和朋友高谈阔论,讨论哲学,例如马赫的思想,和妻子志同道合,柴米油盐之外,一起探讨最新的物理学论文,例如洛伦兹变换。

1905年,在洛伦兹提出洛伦兹变换后一年,在迈克尔逊—莫雷实验得出零结果后18年,在马赫完成《力学史评》后22年,在麦克斯韦去世后26年,爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》这一划时代的论文。

既然迈克尔逊——莫雷实验是为了证明以太的存在,而以太是为了协调光速不变和牛顿力学而假设,而实验已经是零结果了,要么是光速可变,麦克斯韦错了,要么以太不存在,牛顿错了,而麦克斯韦的结果是有严格的数学基础,至于以太吗,这么不可描述,而且还只是牛顿力学的假设,干脆以太不存在好了。

既然光速不变,那么所有惯性系平等,不存在高下之分,上帝隐身的绝对静止系也就不存在了,那么作为牛顿力学基础的伽利略变换就不再正确,牛顿就变成了世界在低速宏观下的近似描述。

自此魔鬼出世,物理学进入了一个新的时代。

牛顿把人类带入了光明时代,但是人类还匍匐在上帝的脚下,无处不在的绝对静止系——以太就是上帝的阴影,而爱因斯坦则带人类步入天堂,站在了上帝面前。

四、薪尽火传 精神永存

在慨叹爱因斯坦伟大的同时,更应该看到他对前辈的态度。

爱因斯坦后来在他的《自述》中坦承,马赫的《力学史评》曾对他产生深刻的影响,马赫的批判论证的范例是他发现相对论所必需的,他写了一封信给马赫,自称为“敬仰您的学生”。

1931年,爱因斯坦在参观美国威尔逊山天文台时,向年迈的迈克尔逊表示了敬意,赞扬了他著名的以太漂移实验,同年1月15日,爱因斯坦在一次有许多科学家参加的宴会上又遇见了迈克尔逊。爱因斯坦在宴会上发言说:“您(迈克尔逊)揭示了当时存在的光以太理论中的一个包蔽着的缺陷,它启发了洛伦兹和斐兹杰惹的思想,狭义相对论正是从这些思想中发展起来的。”

1928年,洛伦兹去世,爱因斯坦在洛伦兹墓前致词说:洛伦兹的成就“对我产生了最伟大的影响”,他是“我们时代最伟大、最高尚的人”。

文人相轻的恶习在爱因斯坦身上踪影不见,以至于在爱因斯坦和哥本哈根群雄的世纪之辩中,俱是坦荡君子,这种谦逊与包容对后世的影响恐怕还要大于他在科学上的贡献。

从牛顿争夺微积分的发明权到法拉第与麦克斯韦的忘年莫逆之交,再到爱因斯坦对诸位前辈的坦诚致谢,科学的发展更是科学精神的发展,正是因了这种精神,人类才会越走越远,对于物理学来说,独行侠的时代已经一去不返,再出现如此巨人的可能性也微乎其微,但有了这种精神,人类终究会成长为整体的巨人,坐在上帝的面前。

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