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以太的否定洛伦兹与庞加莱的困惑狭义相对论诞生的前夜

放大字体  缩小字体 2019-12-01 20:20:54 作者:责任编辑NO。蔡彩根0465

上一篇文章我们讨论了“相对性原理”和“光速不变原理”,经过我们的讨论,发现这两个基本原理之间存在着不相容性,或者说它们之间是相互抵触的,这篇文章就让我们一起来聊一聊物理学家们是如何一步步解决这两个基本原理之间相互抵触的问题的、狭义相对论又是如何建立的!

我们得先从“迈克尔逊—莫雷”实验说起!

随着光波动学说的兴起和发展,“以太”作为光传播的介质被物理学家们广泛的接受和认可,人们认为“以太”应该是绝对静止的,地球在静止的“以太”当中运动。

迈克尔逊—莫雷实验的目的就为了验证“以太”的存在,并且想要测量地球相对于“以太参考系”的运行速度。

迈克尔逊—莫雷实验仪器

实验思想的简单介绍

如果“以太”存在,地球相对于“以太”又是运动的,所以光在“以太”中传播时就应该受到“以太风”的干扰,这里我们大家可以类比在河水中划船:我们逆着水流划船和垂直于水流划船,那个感觉肯定是不一祥的!

根据伽利略的速度叠加原理,我们顺着地球自转方向发出的光和垂直于地球自转方向发出的光速度就应该不同,根据两束光由于光速不同,则走过相同的路程所需的时间就不一样,通过两束光的相位差以及产生的干涉现象就可以判断地球相对于“以太”的运动速度。

假设装置在以太中向右以速度 v运动,且从镀银的玻璃片到两面镜子的距离均为 L,那么向右的那一束光在向右的过程中相对装置速度为 c-v,

花费的时间为t1=L/(c-v),

返回时速度为c+v,

返回的时间 t2=L/(c+v)。

所以总的时间是

而垂直于地球运动方向的那一束光,设它到达镜子所需的时间为 t3,在最近一段时间里镜子向右移动了v·t3 ,所以光沿着一个直角三角形的斜边跑,对于这个三角形有

因为返回时的路程和时间都相同,所以

通过比较,我们发现两束光所需的时间是不相同的,如果我们检测到这种差值,就可以计算地球在“以太”中的速度。

但是,实验结果却是令人非常地意外,并没有发现时间上的差别,甚至在提高了仪器的灵敏度、增加了检测时间、在不同的位置做实验,其结果都是一样的。也就是说,不存在“以太风”,光速在地表附近向各个方向传播速度是相同的!

对于这种实验结果和理论之间的差异,我们该如何解释呢?如何让理论推理与实验结果相融洽呢?

爱尔兰物理学家菲茨杰拉德的解释

1889年,爱尔兰物理学家菲茨杰拉德在《以太和地球的大气层》一文中提出物体是由带电粒子构成的,物体的长度取决于这些粒子之间的静电平衡,如果物体相对于“以太”运动,就会产生磁场,影响静电平衡,为了实现新的静电平衡,粒子之间的距离就会发生改变,从而导致物体在运动方向上长度发生收缩。

也就是说,迈克尔逊莫-雷实验仪器在“以太”中运动时,长度发生了收缩,以此来解释迈克尔逊-莫雷实验的零结果!

不过,后来有人根据菲茨杰拉德的理论试图测量这个收缩值时结果都失败了,因为人随着地球的自转也在“以太”中运动,按照他的说法人也应该缩短了,我们如何来测量自己的缩短值呢?

这肯定是没法测量的!因为地球一直在自转,也就是说我们一直处于缩短状态。地球不会静止,所以我们无法测量自己在静止地球上的长度,就没有很好的方法与运动时的长度比较,也就无法知道缩短值,而且这也不符合我们已知的“光速不变原理”,所以这个理论不是特别地令人满意!

荷兰物理学家洛伦兹的解释

洛伦兹

1895年,荷兰物理学家洛伦兹也提出了类似的长度收缩假说来解释“以太”漂移的零结果,他认为存在一种分子力,分子力跟电磁力一样也是通过“以太”传播的,当物体在“以太”中运动时,“以太”会使分子力发生明显的变化,从而导致物体运动方向的长度发生明显的变化!

他依然以绝对静止的“以太”为参考系,从经典的伽利略变换出发,利用数学方法推导了麦克斯韦方程组在运动参考系中的协变方程,也就是著名的“洛伦兹变换”:

通过洛伦兹变换,他提出了相对于“以太”运动的物体,平行于“以太”的方向,长度会发生收缩;时间也会变慢。

这样就既解释了迈克尔逊-莫雷实验的零结果,又保留了“光速不变原理”,可谓一举两得!也就是说,通过“洛伦兹变换”,在保留“以太”的前提下还可以调和由“麦克斯韦方程组”推导出来的“光速不变原理”和伽利略的“相对性原理”之间的抵触性!

根据前面我们计算的两个时间表达式,我们大家可以发现,它们之间其实也就差了一个

这也就是“洛伦兹因子”,看到这个“洛伦兹因子”,虽然洛伦兹觉得引入“长度收缩”和“时间膨胀”可以非常好地解释实验现象,但是由于根深蒂固的“以太系”和“绝对时空观”思想的影响,洛伦兹自己也不敢相信这个“洛伦兹变换”有什么物理意义,充其量也就是一种纯数学推导,因为静止“以太”中的绝对时间根本没有很好的方法测量,所以他也不敢断定公式中的t`就是代表真正的时间!

由于洛伦兹对经典“时空观”的尊崇和顽固保守思想对他的影响,导致他在提出了著名的“洛伦兹变换”、摸到“狭义相对论”边缘的情况下却依然与其失之交臂!

法国著名数学家、物理学家庞加莱的解释

庞加莱

1898年,法国著名数学家、物理学家庞加莱在《时间的测量》中指出,同一事件对于不同的坐标系来说也并不一定是同时发生的,所以在不同的运动下讨论同时性是没有意义的,这也就是同时性的相对性原理!

1902年他在《科学的假设》中对牛顿的绝对时空观提出了质疑,因为他认为没有绝对的时间和绝对的空间,我们只能测量相对运动,绝对运动我们根本没有很好的方法测量!

1905年,庞家莱在《电子的电动力学》中指出,“表明绝对运动的不可能性是自然界的普遍规律”,他还指出:“与洛伦兹变换相关的,是不同参考系里测量到的空间和时间的坐标,因此是一种真实的变换”,到此为止,长度收缩不在是一种假设,而是满足物理学的相对性原理的结果!

这里就比洛伦兹的思想要大胆一些了,洛伦兹始终是以“以太系”为绝对参考系,认为“长度收缩”和“时间收缩”是绝对的,不敢越雷池一步,而庞加莱提到了长度与时间的测量是相对的,不存在绝对的空间与时间!

此时,庞加莱已经非常接近相对论的实质,他告诉了我们,不应该相信绝对时空观,没有绝对运动,可是我们不相信绝对时空观又该相信什么呢?庞加莱没有告诉我们,就跟我们打篮球一样,洛伦兹将篮球运到了篮板下面,传给了庞加莱,庞加莱一个漂亮的飞起投篮,眼看着篮球朝着篮筐飞过去了,可惜球没有进,谁会力挽狂澜,来一个漂亮的补投呢?谁会告诉我们,不信绝对时空观我们到底相信什么呢?

爱因斯坦的解释

爱因斯坦

1905年6月爱因斯坦发表了著名的论文《论运动物体的电动力学》也就是狭义相对论!在狭义相对论中,爱因斯坦告诉我们既然没有绝对的空间和时间,我们就没有必要继续假设“以太系”存在了,也就没有绝对的空间和时间了,时间和空间都是相对的!“狭义相对论”的最大意义就是解除了“以太系”和“绝对时空观”长期以来对物理学家思想的禁锢,建立了新的相对时空理论!

我们来看看狭义相对论的两条基本假设:

1、狭义相对性原理:在一切惯性系中,物理定律都具有相同的形式!

也就是说,不单单是力学、电磁学实验也无法确定自身惯性系的运动状态!

2、光速不变原理:真空中的光速对于不同的惯性系的观测者来说都是c。

基于这两条基本假设,根据洛伦兹变换,爱因斯坦推导出了时间膨胀、长度收缩、能量动量关系、质能关系、质速关系、多普勒频移等效应,经受住了广泛的实验检验,成为近代物理学的一大理论支柱!

通过“狭义相对论”的提出过程我们发现,一个强大理论的建立,并不是某一个物理学家的功劳,而是一代物理学家共同努力的结果,就像我们吃饭一样,吃了最后一口饭之后吃饱了,我们也不能忽略了前面所吃的饭的作用,而且,一个伟大的理论的建立,不仅需要严格的逻辑推理,有时候还需要一定的挑战性思维和批判精神!

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