当提到相对论时,其声名远播,家喻户晓。尽管并非人人都能透彻理解这一理论,但其影响力却广泛为人所知。与此同时,那位赫赫有名的爱因斯坦也广为人知,他甚至成为了智慧的化身,高智商的象征。
然而,另一位人物,洛伦兹,他的名声则要黯淡许多。可能只有那些对物理有着浓厚兴趣,或者至少上过高中物理课程的学生才会对这个名字有所耳闻。事实上,洛伦兹曾经距离提出狭义相对论只有一步之遥,他几乎已经摸到了真理的边缘,却差一步没踏出,与这项理论擦肩而过。
可以这样比喻,洛伦兹就像一个羞涩的青年,而狭义相对论则宛若一位美丽的少女,他们彼此心动,心知肚明对方的感情,然而这位青年却未曾直言表白,致使两人之间那层薄薄的纸膜始终未能被戳破!
正是因为这样,一些学者认为,实际上是洛伦兹提出了狭义相对论,只不过他未曾明确地提出这一概念而已。
究竟发生了什么?为何有学者这样认为?让我们来深入探讨一下洛伦兹、爱因斯坦以及狭义相对论之间错综复杂的关系。
洛伦兹虽不及爱因斯坦声名显赫,却同样是一位卓越的物理学家。洛伦兹力这个概念,指的是带电粒子在磁场中的受力,便是以他的名字命名的,这一点许多人都知道。
洛伦兹的童年坎坷,母亲在他八岁时便离世,所幸继母待他如同己出,帮助他走出了童年的阴影。
洛伦兹从小就对物理充满热情,并在攻读研究生和博士学位期间主要研究光学相关课题。
当时正值物理学的变革时期,牛顿力学如磐石般稳固,无人能撼。而麦克斯韦的电磁理论横空出世,对物理界产生了深远的影响,其重要性丝毫不逊于牛顿力学。
然而,这两个伟大的理论在世界观上却出现了根本性的矛盾,它们之间的冲突尤其体现在对光速的理解上。
根据麦克斯韦方程组推导出的公式,光速在真空中的速度是恒定的。这里的“恒定”并不仅仅意味着“每秒30万公里”的不变,而是指任何速度与光速叠加之后的不变性。
光速的不变性与牛顿力学产生了冲突,洛伦兹的挑战就是如何调和这两者的矛盾。起初,物理学界提出了以太这一概念,将其视为绝对静止的参照系,也是光速的参照系。然而迈克尔逊-莫雷实验却表明以太并不存在。
如果以太真的不存在,那么意味着光速确实恒定不变,这将导致牛顿力学的错误。洛伦兹以及其他物理学界的权威自然不可能接受这样的结论。于是,洛伦兹提出了一个假设:将真空中的光速视作光在以太中传播的特殊情况,只要稍微调整光速不变的原理,两者之间的矛盾就会消失,牛顿力学体系仍将保持完美,不会与麦克斯韦电磁理论产生冲突。
洛伦兹认为,以太会在运动方向上收缩,导致了光速的不变性,并非意味着光速本身不变,而仅仅是以太收缩的一种表现。
具体来说,洛伦兹是这样思考的。
在牛顿力学体系中,任何物体的运动都需要一个参照系,否则便失去了意义。也就是说,我们在讨论“某个物体是运动还是静止”时,“参照系”是前提条件。
这样的例子在日常生活中比比皆是。例如,你与朋友驾车出行,时速为100公里,在你朋友眼里,你是静止的。而在路人眼里,你的速度飞快。这是由于参照系的选择不同造成的。
参照系可以分为惯性参照系和非惯性参照系。惯性参照系就是物体依靠惯性运动所在的参照系,换句话说,就是静止或匀速直线运动的参照系。
明白了参照系的定义后,让我们继续举例来深入探讨。
假设在高速公路上,交警发现一辆超速的小汽车,开始追赶。高速公路限速120公里,警车始终保持在这一速度,而超速的小汽车速度达到了160公里。
两车的速度差为40公里,这是基本的相对速度计算。
这个看似简单的公式,用物理学的语言表述,就是所谓的“伽利略变换”。
这个名字一换,瞬间显得高深莫测。
但不要因此而误以为伽利略本人故弄玄虚,毕竟,这个原理人人皆知,但将其总结成公式的却是他。这就如同“两点之间线段最短”这个常识一样,每个人都知道,但并不是每个人都能总结出来。
我们再回到之前的话题。
牛顿力学的基石就是伽利略变换,或者说是绝对时空观,本质上是相同的。
现在让我们进行一次思维实验,假设高速公路上的警车和超速的小汽车突然加速,两车都以0.8倍光速反向行驶,以地面为参照系。
按照伽利略变换的速度叠加,两车的相对速度应为1.6倍光速。但按照麦克斯韦方程组,光速是最快的,而且不变,1.6倍光速显然不成立。
同时,伽利略变换的推导结果本身也有矛盾。如果警车向逃逸的小汽车发射一束光,这束光无论如何都追不上小汽车,因为两车的相对速度超过了光速。换言之,警车根本无法测量逃逸车辆的速度。
但在理论上,通过伽利略变换却能计算出逃逸车辆的速度为1.6倍光速。理论推导的结果无法在现实中实现,这显然是矛盾的。
洛伦兹是如何解决这一矛盾的?他直接把光速恒定的原则加到伽利略变换中,“伽利略变换”于是变成了“洛伦兹变换”。
当然,洛伦兹变换的推导并不如上述那般简单。洛伦兹认为光速不变的原因在于以太在运动方向上的收缩,并以此为基础,通过两个参照系之间的速度关系,推导出了洛伦兹变换。
爱因斯坦则否认了以太的存在,认为光速是绝对不变的。他在光速不变的基础上推导出的结果,竟然与洛伦兹变换完全吻合。
这难道是巧合吗?
当然不是。因为两人的推导基础其实都是“光速不变”,唯一的区别在于爱因斯坦更为直接,简单地提出光速是绝对不变的;而洛伦兹则采取了不同的方式,认为光速不是绝对不变,而是以太在运动方向上的收缩导致了光速不变的表象。
但是,洛伦兹所坚守的以太又是什么呢?难道它不就是“时空”本身吗?时空即是以太,而在爱因斯坦眼中,时空同样会在运动方向上收缩,即所谓的“尺缩效应”。
因此,我们能说洛伦兹坚守以太是“错误”的吗?只能说,他过于深受牛顿力学体系下绝对时空观的影响,无法放手。
简而言之,当时的洛伦兹实际上已经无限接近狭义相对论。他只需放弃绝对时空观,无需多做其他,就能得到狭义相对论。
爱因斯坦提出狭义相对论之后,将洛伦兹变换作为相对论的基本公式之一,并尊称洛伦兹为狭义相对论的“奠基人”。从爱因斯坦的角度来看,洛伦兹是多么地伟大。
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