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本文將告訴你,愛氏是如何創立狹義相對論的!

導讀:本文摘自獨立學者靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》。 旨在説明大家瞭解物理宇宙科普知識。

接下來是介紹愛氏創立狹義相對論和廣義相對論的介紹了, 介紹就意味著我要保持它的原汁原味了。

早在16歲時, 愛因斯坦就從書本上瞭解到光是以很快速度前進的電磁波, 與此相聯繫, 他非常想探討與光波有關的所謂乙太的問題。

17世紀的笛卡爾和其後的克利斯蒂安·惠更斯首創並發展了乙太學說, 認為乙太就是光波傳播的媒介, 它充滿了包括真空在內的全部空間, 並能滲透到物質中。 與乙太說不同, 牛頓提出了光的微粒說。

牛頓認為, 發光體發射出的是以直線運動的微粒粒子流, 粒子流衝擊視網膜就引起視覺。 18世紀牛頓的微粒說占了上風, 到19世紀, 卻是波動說占了絕對優勢。 這段歷史我在《見微知著》中寫的很詳細了。

乙太學說發展, 人們認為:波的傳播需要媒質,

光在真空中傳播的媒質就是乙太。 與此同時, 電磁學得到了蓬勃發展, 經過麥克斯韋、赫茲等人的努力, 形成了成熟的電磁現象的動力學理論——電動力學, 並從理論與實踐上證明光就是一定頻率範圍內的電磁波, 從而統一了光的波動理論與電磁理論。

乙太不僅是光波的載體, 也成了電磁場的載體。 直到19世紀末, 人們企圖尋找乙太, 然而從未在實驗中發現乙太, 相反, 邁克耳遜莫雷實驗卻發現乙太不太可能存在。

電磁學的發展最初也是納入牛頓力學的框架, 但在解釋運動物體的電磁過程時卻發現, 與牛頓力學所遵從的相對性原理不一致。 按照麥克斯韋理論, 真空中電磁波的速度, 也就是光的速度是一個恒量;然而按照牛頓力學的速度加法原理,

不同慣性系的光速不同。 也就是麥克斯韋與伽利略關於速度的說法明顯相悖!

愛因斯坦似乎就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人。 他認真研究了麥克斯韋電磁理論, 特別是經過赫茲和洛倫茲發展和闡述的電動力學。

愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的, 但是有一個問題使他不安, 這就是絕對參照系乙太的存在。

他閱讀了許多著作發現, 所有人試圖證明乙太存在的試驗都是失敗的。 經過研究發現, 除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外, 乙太在洛倫茲理論中已經沒有實際意義。

愛氏喜歡閱讀哲學著作, 並從哲學中吸收營養, 他相信世界的統一性和邏輯的一致性。 在“奧林匹亞科學院”時期對大衛·休謨對因果律的普遍有效性產生的懷疑, 對愛因斯坦產生了影響。

相對性原理已經在力學中被廣泛證明, 在電動力學中卻無法成立, 對於物理學這兩個理論體系在邏輯上的不一致, 愛因斯坦提出了懷疑。

他認為, 相對性原理應該普遍成立, 因此電磁理論對於各個慣性系應該具有同樣的形式, 但在這裡出現了光速的問題。

光速是不變的量還是可變的量, 成為相對性原理是否普遍成立的首要問題。 當時的物理學家一般都相信乙太, 也就是相信存在著絕對參照系, 這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。

19世紀末, 馬赫在所著的《發展中的力學》中, 批判了牛頓的絕對時空觀, 這給愛因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天, 愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題, 貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法, 兩人討論了很久。 我在《變化》在討論慣性的時候, 也引述馬赫原理。 所以馬赫這個人對愛氏的啟發是很大的。

突然,愛因斯坦領悟到了什麼,回到家經過反復思考,終於想明白了問題。第二天,他又來到貝索家,說:謝謝你,我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事:時間沒有絕對的定義,時間與光信號的速度有一種不可分割的聯繫。他找到了開鎖的鑰匙,經過五個星期的努力工作,愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。

1905年6月30日,德國《物理學年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》,在同年9月的該刊上發表。這篇論文是關於狹義相對論的第一篇文章,它包含了狹義相對論的基本思想和基本內容。

愛因斯坦解決問題的出發點,是他堅信相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理的思想,但他沒有對時間和空間給出過明確的定義。

牛頓建立力學體系時也講了相對性思想,但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動,在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發展了相對性原理,在他看來,根本不存在絕對靜止的空間,同樣不存在絕對同一的時間,所有時間和空間都是和運動的物體聯繫在一起的。

在這篇文章中,愛因斯坦沒有討論將光速不變作為基本原理的根據,他提出光速不變是一個大膽的假設,是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考乙太與電動力學問題的結果,他從同時的相對性這一點作為突破口,建立了全新的時間和空間理論,並在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式,乙太不再是必要的,乙太漂流是不存在的。

什麼是同時性的相對性?不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發生的呢?一般來說,我們會通過信號來確認。為了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度,但如何測出這一速度呢?我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間,空間距離的測量很簡單,麻煩在於測量時間,我們必須假定兩地各有一隻已經對好了的鐘,從兩個鐘的讀數可以知道信號傳播的時間。但我們如何知道異地的鐘對好了呢?

答案是還需要一種信號。這個信號能否將鐘對好?如果按照先前的思路,它又需要一種新信號,這樣無窮後退,異地的同時性實際上無法確認。不過有一點是明確的,同時性必與一種信號相聯繫,否則我們說這兩件事同時發生是無意義的。

靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》在靈遁者淘寶有。

大家體會到這個概念的重要了嗎?我在上面的各種提問,其實已經夠深入了。

相對論認為,光速在所有慣性參考系中不變,它是物體運動的最大速度。由於相對論效應,運動物體的長度會變短,運動物體的時間膨脹。但由於日常生活中所遇到的問題,運動速度都是很低的(與光速相比),看不出相對論效應。

愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學,指出品質隨著速度的增加而增加,當速度接近光速時,品質趨於無窮大。他並且給出了著名的質能關係式:E=mc^2,質能關係式對後來發展的原子能事業起到了指導作用。以上就是愛氏狹義相對論的創立過程。

摘自獨立學者靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》

突然,愛因斯坦領悟到了什麼,回到家經過反復思考,終於想明白了問題。第二天,他又來到貝索家,說:謝謝你,我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事:時間沒有絕對的定義,時間與光信號的速度有一種不可分割的聯繫。他找到了開鎖的鑰匙,經過五個星期的努力工作,愛因斯坦把狹義相對論呈現在人們面前。

1905年6月30日,德國《物理學年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》,在同年9月的該刊上發表。這篇論文是關於狹義相對論的第一篇文章,它包含了狹義相對論的基本思想和基本內容。

愛因斯坦解決問題的出發點,是他堅信相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理的思想,但他沒有對時間和空間給出過明確的定義。

牛頓建立力學體系時也講了相對性思想,但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動,在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發展了相對性原理,在他看來,根本不存在絕對靜止的空間,同樣不存在絕對同一的時間,所有時間和空間都是和運動的物體聯繫在一起的。

在這篇文章中,愛因斯坦沒有討論將光速不變作為基本原理的根據,他提出光速不變是一個大膽的假設,是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考乙太與電動力學問題的結果,他從同時的相對性這一點作為突破口,建立了全新的時間和空間理論,並在新的時空理論基礎上給動體的電動力學以完整的形式,乙太不再是必要的,乙太漂流是不存在的。

什麼是同時性的相對性?不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發生的呢?一般來說,我們會通過信號來確認。為了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度,但如何測出這一速度呢?我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間,空間距離的測量很簡單,麻煩在於測量時間,我們必須假定兩地各有一隻已經對好了的鐘,從兩個鐘的讀數可以知道信號傳播的時間。但我們如何知道異地的鐘對好了呢?

答案是還需要一種信號。這個信號能否將鐘對好?如果按照先前的思路,它又需要一種新信號,這樣無窮後退,異地的同時性實際上無法確認。不過有一點是明確的,同時性必與一種信號相聯繫,否則我們說這兩件事同時發生是無意義的。

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大家體會到這個概念的重要了嗎?我在上面的各種提問,其實已經夠深入了。

相對論認為,光速在所有慣性參考系中不變,它是物體運動的最大速度。由於相對論效應,運動物體的長度會變短,運動物體的時間膨脹。但由於日常生活中所遇到的問題,運動速度都是很低的(與光速相比),看不出相對論效應。

愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學,指出品質隨著速度的增加而增加,當速度接近光速時,品質趨於無窮大。他並且給出了著名的質能關係式:E=mc^2,質能關係式對後來發展的原子能事業起到了指導作用。以上就是愛氏狹義相對論的創立過程。

摘自獨立學者靈遁者物理宇宙科普書籍《變化》

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