這是一個(gè)好問題,問題本身解釋了為什么我們說愛因斯坦是史上最偉大的兩個(gè)物理學(xué)家之一,而洛倫茲不是。 洛倫茲時(shí)代,物理學(xué)家們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)一個(gè)令人如喪考妣的實(shí)驗(yàn)事實(shí):不管怎么測(cè)量,從那個(gè)方向什么速度的運(yùn)動(dòng)參考系下測(cè)量,真空光速都不變。 這個(gè)世界末日般的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:1. 牛頓/伽利略時(shí)代的速度觀在接近光速時(shí)失效。2. 以太看起來不存在,以太不存在那絕對(duì)空間就無(wú)從談起。3. 絕對(duì)時(shí)間似乎也不是很可靠。 在牛頓大廈即將傾覆之時(shí),洛倫茲童鞋一拍腦袋,湊出了洛倫茲變換,好歹暫時(shí)撐住了搖搖欲墜的大廈。 但恐怕沒有一個(gè)物理學(xué)家包括洛倫茲自己對(duì)這個(gè)大補(bǔ)丁是滿意的。 這時(shí)愛因斯坦出場(chǎng)了。 狹義相對(duì)論橫空出世,對(duì)于當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家們來說,狹義相對(duì)論非常好理解(不同于之后的廣義相對(duì)論),就像大家一直在苦思冥想的謎語(yǔ),愛因斯坦第一個(gè)說破了。 理解狹義相對(duì)論只需要三句話: 1. 相對(duì)性!沒有絕對(duì)時(shí)空,特別是沒有絕對(duì)時(shí)間!這是最簡(jiǎn)單也最關(guān)鍵的一點(diǎn),幾乎所有的佯謬都在這里,幾乎所有想不明白的初學(xué)者都是因?yàn)闆]有徹底驅(qū)散腦子中潛在的絕對(duì)時(shí)間觀。這正體現(xiàn)了愛因斯坦的明快思維:既然絕對(duì)時(shí)空漏洞百出,那與其不停打補(bǔ)丁,不如直接假定相對(duì)性。 2. 在任何參考系下測(cè)量的真空光速不變。這再次體現(xiàn)出愛因斯坦的明快思維:既然你們實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家測(cè)出來的光速不變,與其絞盡腦汁想理由,不如直接假定這就是物理規(guī)律。 3. 時(shí)間和空間在數(shù)學(xué)上不可割裂,一起構(gòu)成一個(gè)4維偽歐幾何(3個(gè)實(shí)軸為空間,時(shí)間是虛軸ict)。這里體現(xiàn)出愛因斯坦非凡的數(shù)學(xué)感覺,敏銳的意識(shí)到運(yùn)動(dòng)其實(shí)是個(gè)純幾何問題,并找到了最合適的數(shù)學(xué)工具來描述。 這個(gè)偽歐幾何又被稱為閔可夫斯基空間,數(shù)學(xué)上出奇的簡(jiǎn)單,應(yīng)用在物理上更是勢(shì)如破竹,比如,洛倫茲變換根本就不再需要定義了。在閔可夫斯基空間里,這是連中學(xué)生都能推導(dǎo)出來的必然結(jié)果。 比如我們計(jì)算時(shí)間膨脹: 當(dāng)前參考系下(用本參考系的時(shí)鐘和尺子)測(cè)量到一運(yùn)動(dòng)物體在t時(shí)間移動(dòng)了距離s,則速度為v=s/t。 那么根據(jù)相對(duì)性原則,該運(yùn)動(dòng)物體自己的時(shí)間是其世界線長(zhǎng)度/v,即起始時(shí)空點(diǎn)(0,0)到終止時(shí)空點(diǎn)(ict,s)的線段長(zhǎng)度/v。 根據(jù)勾股定理,該線長(zhǎng)度為: √(ict)2+s2 = √-c2t2+v2t2 = vt*√1-(v/c)2 這個(gè)膨脹因子√1-(v/c)2,就是洛倫茲為了對(duì)上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)絞盡腦汁湊出來的變換公式,在閔可夫斯基幾何里就是如此顯然的數(shù)學(xué)結(jié)論。 不過為了安慰洛倫茲童鞋,物理學(xué)界還是慈悲的把這個(gè)因子命名為洛倫茲因子。 |
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