聊聊狭义相对论-第9章

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　直觉是一个人在长期的经验中，无意识地形成的一种决策方法。它不是乱来的，而是一种充满先知和灵性的感觉。只有在长期的反复中，方能拥有这一种不可思议的能力。　
　这对一个物理学家太有用了！它能够帮助他敏锐地把握解决问题的方向，使他更快地接近真理。　
　这是上天对天才的恩赐！　
　事实上，不仅物理学家，还有艺术家、文学家、军事家……甚至平常人，他们在解决问题、判断问题时都会得到直觉的帮助。　
而爱因斯坦恰恰拥有这种最强大的武器！　
　整整一个下午，爱因斯坦都在思考着与光有关的问题，却没有得到一个满意的答案。但他感觉到似乎之前的物理学家走错了道路，他的心中泛起了挑战的涟漪……　
　看来，未来相对论的发现者已经在心中播下了种子……

退学归退学，但是，学业毕竟不能荒废呀。在父亲的探询下，爱因斯坦找到了一间满意的学校——瑞士的苏黎世联邦工业大学（ETH）。　
　1895年，爱因斯坦登上了前往苏黎世的火车，去参加ETH的入学考试。不过终未如愿，由于他的拉丁文等文科成绩一塌糊涂，不得不与梦寐以求的学府擦肩而过。然而，他的数学和物理成绩却给大学的教授们留下了非常深刻的印象。在校长的建议下，爱因斯坦来到阿劳中学补习，准备来年再次报考ETH。　
　阿劳中学是一所开明的学校，它并不推崇传统教育，而为学生创造了自由、民主、向上的氛围，让学生在潜移默化中踏入知识的殿堂。在这里，爱因斯坦开始由一个腼腆的孩子逐渐变成了一位坚定自信的青年。　
殊不知，这是在补习的这一年中，爱因斯坦重新捡回了对光速的思考，第一次磨亮了他的相对论之剑。　
　假如我追随一束光线而去，我会看到什么呢？譬如这束光是从广场的那座钟上射出来的，我是不是会看到一座静止的时钟呢？还是看到别的？……　
　醉里挑灯看剑。　
　……　
　1896年秋天，爱因斯坦不负众望顺利考上了ETH。　
　就在同一年，他最终说服了父亲，自己放弃了德国国籍，终于离开了德国。　
　那一年，他17岁。　
　进入了大学，爱因斯坦对一切都感到无比的新鲜。除了数学、物理等必修科目之外，他还选修了一大堆有兴趣的课程。　
　在大学里面，爱因斯坦依旧“神经兮兮”。他竟然“疯”到这种地步——必修的课程他经常缺席，而选修反倒节节必听。其实，这也是难怪的，必修的那些科目，爱因斯坦早就自学完了，再听也是无聊的重复罢了。　
　对于逃课的时间，爱因斯坦也并没有花在逛街、睡觉、跳舞或者CS（^_^）上，而是泡在图书馆里边。在那里，他可以阅读到麦克斯韦、玻尔兹曼、赫兹等等大名鼎鼎的物理学家的著作，并且还有机会接触到前沿的物理知识，这些都为他的未来打下了坚实的基础。　
　营里剑光闪耀。　
　……　
　在教授的眼中，爱因斯坦是一个十足的异端分子。他不拘不束，睥睨权威，一点儿也不尊重老师，往往在课堂中当面指出大师们的错误，让他们不知把脸往哪儿搁。还对一些知识充满了质疑，甚至把矛头指向了经典物理学。　
　在大学的四年里，爱因斯坦接受了马赫的观点（就是前面说到的那个马赫），开始认识到了牛顿力学的绝对时空观的一些问题，并有了向经典物理学挑战的冲动。　
　是的，要与西风战一场，遍身穿就黄金甲！一位准备为科学真理而战的异端分子，威风凛凛，站到了我们的面前。　
　壮志直指天堑。　
　……　
　也正因为他的放浪不羁，尽管他的成绩不错，却没有教授肯留他在身边工作。毕竟，他太危险了。　
　其实说到底，这样的原因应该是传统的权威的教授根本无法接受这么一个蔑视传统、蔑视权威的异端分子！恐怕他有一天真的会把经典物理学冲垮！　
　无奈未能实现。　
　……


在面对失业的迷途中，爱因斯坦却一直没有放弃对物理学的思考。大学毕业的很长一段时间内，他只能靠给别人当代课教员或者其他的工作勉强过着生活。　
　果然非同寻常！一个连稳定工作都没有的年轻人，温饱都是个问题，更别说去阅读最前沿的杂志或者参加什么学术会议了。而正是这样一个生活困窘的人竟不可思议地完成了别人无法办到的事情，改变了世界。　
后来，在1902年，大学的好朋友格罗斯曼向爱因斯坦伸出了援助之手，给他在瑞士伯尔尼专利局找到了一份技术审查的工作。终于，生活问题有了着落。　
　哎，逆境出人才呀，诸位。　
　在审查的工作之余，坐在办公桌前面，爱因斯坦依然会苦苦冥想着光和以太的问题，进行着他最具创造性的努力。　
　空闲的时间，爱因斯坦经常和他志同道合的朋友们来到奥林匹亚咖啡馆聚会，讨论一些与科学相关的问题。他们还戏称这是“奥林匹亚科学院”。他们往往在一起对一些物理问题进行激烈的争论，“醉翁之意不在酒”，他们的目的并不在于喝茶聊天，而是对科学真理的孜孜探索。咖啡馆里的人一定不会想到，他们中的一个竟然会真的攀登到了科学的颠峰。　
　而在此期间，爱因斯坦也在默默酝酿着他的相对论，还与科学院的成员们交流了一些意见。　
　确实难以想象，一个面对工作、生活诸多压力，而且没有多少出席科学会议、接触前沿突破的机会（顶多也是奥林匹亚科学院那不正规的科学会议）的人，竟然做出了人类科学史上极其伟大的贡献。这也说明了爱因斯坦的确有他过人的地方，的确有他天才的一面。　
　很快，那位人类的异端分子就要向绝对权威、当时很多人都不敢说半个“不”字的经典物理学发起冲击，而物理学也即将迎来一场风雨交加的革命，并在革命之后绽放出更加绚丽的光辉，照亮了未来的道路……　
　就说到这里吧，让我们深深地吸一口气，拍拍脑袋清醒一下，去迎接那个天崩地裂的1905年，走到革命的最前线，看看英雄是如何推倒那座金碧辉煌的大厦，又是怎样建造起一座更是雄伟壮观的相对论宫殿……


从爱因斯坦的成长历程中，我们可以看得到，他确实具有了最优秀物理学家的性格特征。热爱思考，具有很好的艺术造诣，还有丰富的想象力，以及不错的数学功底，几何比较专长，有探索科学的勇气和耐性，最重要的是，不畏权威，推陈出新，是一个十足的异端分子。　
　如此说来，爱因斯坦成为一个伟大的科学家还是很有说服力的。　
　1905年，一个历史上极其特别的年份。　
　1905年，一个人类应用黄金来书写的年份。　
　1905年，一个充满了奇迹的年份。　
　这一切，因为一个名叫爱因斯坦的公务员在德国《物理学年鉴》上发表了5篇论文，带来了物理学那场伟大的革命，推倒了一座脆弱的金碧大厦，开启了物理学新的纪元。这一年，爱因斯坦在分子运动理论、量子理论和相对论上作出了开创性的工作，缔造了“爱因斯坦奇迹年”。　
　这一年，足以和三个世纪前牛顿那个1666奇迹年相媲美，是人类历史上光芒闪耀的一笔。　
　在这5篇论文里面，其中第一篇《分子大小的新测定》是申请苏黎世大学的博士的论文。爱因斯坦把经典的流体动力学技巧和扩散理论想结合，创造出了一种测定分子大小和阿伏伽德罗常量的新方法。而这篇博士论文后来也成为了他的最频繁被人引用的论文之一。　
　《热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动》解释了布朗运动。布朗运动是英国植物学家布朗于1827年在用显微镜观察浸泡在水中的花粉时发现的，这些小花粉在水中做无规则的运动。当时人们还在争论物质是否由分子或原子组成，而爱因斯坦就敏锐地指出，布朗运动中的花粉正是由于受到水分子的随机碰撞才做这种无规则运动的，以此作为证明分子存在的证据，对分子运动理论作出了不可磨灭的贡献。　
　《关于光的产生和转化的一个试探性观点》提出了光量子，完美解释了当时经典物理学无能为力的光电效应的实验结果，对量子理论作出了开创性的工作。　
　接下来是《论动体的电动力学》，解决了经典物理学面临的危机，将以太丢进历史的垃圾桶，给出了狭义相对论，下面我们将细细说来。这是一篇没有参考文献的论文，在末尾爱因斯坦只对他的同事和好友贝索表示了感谢（太拽了！）。　
　《物质的惯性同它所含的能量有关吗？》作为对《论动体的电动力学》的补充，只有仅仅的三页纸，是历史上最为短小精悍的论文之一，带来了大名鼎鼎的公式——E=mc2！稍后我们也会来感受一下它的威力。　
　将这5篇划时代的论文编纂成集的主编约翰？施塔赫尔这样概括了它们的意义：　
　努力扩展和完善经典力学传统；努力扩展和完善麦克斯韦电动力学并修正经典力学使之与它一致；论证经典力学和麦克斯韦电磁学的有效性都是有限的，并试图理解这些理论不能说明的现象。（参见《爱因斯坦奇迹年——改变物理学面貌的五篇论文》）　
　正是这五篇论文，改变了20世纪物理学的面貌，并深刻地影响了人类的命运至今。而爱因斯坦也正是凭借它们推倒了牛顿大楼和麦克斯韦大楼的天梯，最终使得经典物理学大厦化为灰烬。　
　为了纪念爱因斯坦，为了纪念这个充满神奇色彩的1905年，国际物理学会和联合国将一百年后的2005年定为世界物理年，并进行了一系列的活动，其中包括“物理照亮世界”的全球性光速传递活动。缅怀伟人，承前启后。　
　在这里，也让我们向阿尔伯特？爱因斯坦先生致敬！　
　旧时门榭堂前燕，飞入寻常百姓家。　
　此时此刻，面对经典物理学大厦的断瓦残垣，心中难免涌上来一种悲凉的感觉。不过，还是让我们抹平心中的伤痕，暂时忘掉经典物理学的一些错误思想，保持一个清醒的头脑，不要对绝对时空观依依不舍。记住了吗？　
　转头一看，一座更加宏伟的建筑已经拔地而起！万人朝圣，好不壮观！新时代的风采让我们怦然心动。　
　好，现在让我们去感受一番相对论的精彩。


先打声招呼，为了说明问题，接下来将会出现一些数学式子。那些本身对它过敏的旅客可要注意了，打好预防针，做好心理准备哟。不过，向你们保证，这些数学式子都是非常简单的，无非就是加减乘除开方，你们一定可以看得轻轻松松。不要忘记了，前面说过：　
　给予数学一个正确的对待，还予数学一个公正的评价。这是我们的责任。　
　相对论呢，就分成两部分，一个是1905年发表的狭义相对论；另一个是诞生于1915和1916年间的广义相对论，广义相对论涉及到引力的问题，所用到的数学知识令我们望而却步，那方程解起来直叫我们头晕。在这里，我们主要说的是狭义相对论。　
　其实，有两个相对论，也不是爱因斯坦剧情的安排，说到底，这应该遵循了人类认识事物的规律。狭义相对论主要解决的是惯性系里面的问题，而在面对非惯性系时就无能为力了。所以，那就得进一步推广呀，让咱们也能够在非惯性系里驰骋，于是，广义相对论应运而生了。看来，“狭义”（special）和“广义”（general）还是非常准确的。不过，狭义相对论刚发表之时，还没有得到这个如雷贯耳的名称，只是后来广义相对论降临了之后，人们才根据它们的有效范围分别起了这两个名字。　
　可以说，爱因斯坦是欧几里得的忠实粉丝，你肯定没有忘记，爱因斯坦曾经深深感受到了欧几里得公理体系带给他的震撼。以至他终生不忘，发扬光大，在建立狭义相对论时，就运用了这种简洁、美妙的方法，从尽量少的原理出发，通过倒金字塔形式构建整个理论大厦。　
　下面我们就来聊聊这个公理体系，看看它有多美丽，又是怎样建造起狭义相对论大厦来的。　
　其实，狭义相对论的公理体系不仅仅是两条假设（或者叫做原理），它还包括其他的一些公理。不过，那些都是经验性的、大家都不自觉地在用的，要是说起来，反倒有点哲学的味道。所以，我们在这里就略去不详谈，而只来看看那两条最经典的原理。　
　这两条原理分别是：　
　1、狭义相对性原理：物理定律在任何惯性系中都是相同的。　
　2、光速不变原理：在所有的惯性系中，真空的光速都是一个常数c。　
　呵呵，可以读得明白吗？不明白可不要紧，这是教科书或者搞研究的一种“通病”——把规律表述得尽量简洁、清晰。所以说，搞科学，语文功底也少不了呀！下面，我们就换回平时的比较通俗、“罗嗦”的说法，意思还是一样的。　
　首先是狭义相对性原理。　
　还记得前面我们说伽利略相对性原理吗？我们把难懂的句子最终换成了“在所有的静止或匀速直线运动的参考系中，力学的规律都是相同的”。现在，我们也把狭义相对性原理换成这种说法——　
　在所有的静止或匀速直线运动的参考系中，所有的物理规律都是一样的。　
　我必须再强调一次，是——所有的物理规律！　
　发现不同了吧？　
　牛顿用的是伽利略相对性原理，而伽利略相对性原理说的是“力学的规律”。　
　爱因斯坦用的是狭义相对性原理，而狭义相对性原理说的是“所有的物理规律”。　
　很明显，爱因斯坦的原理比牛顿的厉害多了吧——所有的物理规律不仅包括你的力学规律，还包括了电学的、磁方面的……　
　这很拽吗？　
　当然了！就这么一换，世界就变了！　
　在伽利略相对性原理中，力学的规律才不变。而电磁学的放进去就变了呀！记得吗？把麦克斯韦的理论用牛顿的观点来看，光速c就有问题！而做实验（麦克尔孙…莫雷实验），却找不出这个问题来，实验似乎说电磁学的规律放进去应该也是不变的。这就说明牛顿好象不太对呀！　
　或者从数学上说，把麦克斯韦方程组放进伽利略变换式（与伽利略相对性原理相对应的式子）中进行变换，结果它的形式发生变化了，也就是说，跟未变换前的不一样了！这也应证了只有力学规律放进伽利略变换式中形式才不发生改变的说法。　
　但是，数学是追求美的，物理学是追求美的！　
　为什么电磁学的规律那么特殊？它放进去就改变了！这不符合规律的普遍性的追求呀！规律嘛，应该大家平等，你这条规律能得到这样的待遇，凭什么我的就不能？！大自然不会这么“偏心”呀，规律（伽利略相对性原理）不应这么拗口呀！偏得加个限制！　
　爱因斯坦从小就具有那种对美的疯狂追求，他可以不从实验结果出发。就是单从对美的理解开始，就可以看到伽利略相对性原理确实有点别扭。　
　于是，他头一甩，操出家伙，重重地改了一下，把它改得符合美的要求——“力学规律”换成“所有的物理规律”！　
　这就意味着，不仅力学规律不变了，电磁学的也不会改变了！　
　这非常吻合科学的简洁美的要求。在爱因斯坦之前，得这样说——　
　在所有惯性系中，力学的规律都是相同的；而电磁学的不同。（得有个后缀，而且实验还证明这是不对的。）　
　而现在，简单多了——　
　在所有惯性系中，所有的物理规律都是一样的。　
　你也许会嘟囔，这有什么用呢？　
　有用！十分有用！　
　它简化了物理规律，而且还有可能解决伽利略相对性原理和电磁学冲突的问题（按