【原】相對論的起源（上）12

科學(xué)羊 2023-09-12 發(fā)布于廣東

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本系列文章預(yù)計(jì)會有20+個(gè)章節(jié)，這套文獻(xiàn)將系統(tǒng)講述科學(xué)與技術(shù)本身，這里是第七季第12篇

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接上篇，上篇我們談?wù)摿他溈怂鬼f的壯舉，今天我們繼續(xù)再挖掘下麥克斯韋理論給世界帶來的影響。

最近我發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，每次在讀相對論相關(guān)書籍知識的章節(jié)，一定會提到麥克斯韋方程。而每次在讀麥克斯韋相關(guān)章節(jié)，一定會引出愛因斯坦相對論。真是巧了！

后來仔細(xì)研究了一波這兩者之間的聯(lián)系，果然發(fā)現(xiàn)有貓膩。

可以這么說，麥克斯韋這輩子干的這件事是直接導(dǎo)致了愛因斯坦相對論的創(chuàng)立。

費(fèi)曼的評價(jià)

也可以說，一個(gè)偉大的人他之所以偉大，其實(shí)有時(shí)候就是運(yùn)氣好，外加一點(diǎn)點(diǎn)高智商高情商和努力，就有可能會做出一些顛覆性的事情，我覺得愛因斯坦就是這樣。

劉潤說：“前人的思考，我們的階梯”。如果你總是從零開始去研究一件別人研究過的事情，那就是浪費(fèi)時(shí)間。而如果站在別人做好的基礎(chǔ)上再去做優(yōu)化和改革，反而能夠?qū)κ澜缱龀鲐暙I(xiàn)。

比如，我們上節(jié)談到的麥克斯韋，麥克斯韋他自己做得出方程組之前，已經(jīng)研究了法拉第等前人的電學(xué)貢獻(xiàn)。這是站在巨人的肩膀上。而愛因斯坦一樣，他為了相對論，實(shí)際是站在牛頓、高斯、麥克斯韋等人的肩膀上的。

所以這里不得再夸一下牛頓。你看他，他所擁有的巨人實(shí)際很少，唯一就是笛卡爾、亞里士多德等人。而他做出的貢獻(xiàn)卻是革命性的。當(dāng)然也不是說愛因斯坦會差一丁點(diǎn)，畢竟不同階段，研究的領(lǐng)域和思維會不一樣，需要的載體也會不一樣的。

好，回歸主題，我們來看看相對論的起源究竟是怎么回事。

01 一點(diǎn)電磁學(xué)

電磁學(xué)的相關(guān)概念其實(shí)我們在高中物理就有學(xué)過了，我們身邊所擁有的一切電器設(shè)備都有電磁學(xué)的影子，如果沒有電磁學(xué)，那我們此刻的這個(gè)世界就和唐宋時(shí)期就沒啥區(qū)別了。

其實(shí)電磁學(xué)并不神秘。

什么是電？

電就是電荷之間的相互作用。電子帶負(fù)電，離子帶正電，電子跟離子之間就有一個(gè)吸引力，而兩個(gè)同性的電子或者兩個(gè)同性的離子之間就有一個(gè)排斥力，也就是同性相斥，異性相吸。

什么是磁？

磁來源于電，是電荷的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生磁。一段導(dǎo)體中有電流，它周圍就會有磁性（奧斯特實(shí)驗(yàn)）。像我們平時(shí)看到的磁鐵，也無非就是其中原子排列的很整齊，每個(gè)原子周圍電子的運(yùn)動(dòng)帶來的磁力。

可是，這個(gè)引力來自哪里呢，物理學(xué)家給的概念是——場。

每個(gè)電荷都會在自己的周圍形成一個(gè)“電場”，另一個(gè)電荷不是跟這個(gè)電荷直接發(fā)生相互作用，而是跟這個(gè)電荷的電場發(fā)生相互作用 ——

圖中那些帶箭頭的曲線就是電場的形狀和走向。類似地，磁力，其實(shí)也是以“磁場”的形式在周圍空間存在 ——

確切地說，是所有的電場和磁場重疊在一起，形成一個(gè)總的電磁場，然后各個(gè)帶電物質(zhì)根據(jù)自己所在位置的電磁場來決定自己怎么運(yùn)動(dòng)。

電磁場可不是物理學(xué)家的想象，而是客觀存在的東西，你完全可以用儀器探測出來。

你看，下面這張圖，我相信高中物理實(shí)驗(yàn)我們實(shí)際親眼看到過，一堆磁性指針會順著電磁鐵的吸引方向進(jìn)行偏移。

愛因斯坦曾經(jīng)有一句話說，“場，就好像我坐的這把椅子一樣真實(shí)。”當(dāng)然現(xiàn)在有些神神叨叨的人說氣功高手能體察到“能量場”、名人的周圍有“氣場”，那些“場”就不是電磁場了。

好，現(xiàn)在麥克斯韋出場。

02 光是電磁波嗎？

1865年，蘇格蘭物理學(xué)家麥克斯韋發(fā)表了一組數(shù)學(xué)方程來描述所有的電磁現(xiàn)象，方程組也被命名為麥克斯韋方程。

其實(shí)，麥克斯韋的電磁理論像萬有引力定律一樣，在理論和實(shí)踐上都給整個(gè)人類文明帶來了意義深遠(yuǎn)的影響。

1931年，愛因斯坦描述麥克斯韋之后物理實(shí)在概念的改變：“這是自牛頓以來物理學(xué)所經(jīng)歷的最深刻、最有成果的發(fā)現(xiàn)。”

2014年，92歲高齡的物理學(xué)家、諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主楊振寧先生在《今日物理》發(fā)表文章，以清晰的思維講述麥克斯韋的重要研究：“人們通常認(rèn)為庫侖、高斯、安培和法拉第分別發(fā)現(xiàn)了電學(xué)和磁學(xué)中最基礎(chǔ)的力學(xué)規(guī)律，而麥克斯韋做的只是將這些規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)最終總結(jié)成一套具有高度統(tǒng)一性和對稱性的方程——麥克斯韋方程?？墒?，我覺得麥克斯韋的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不限于將已有的電磁學(xué)規(guī)律加以總結(jié)。麥克斯韋在方程中對幾何和對稱性的微妙物理直覺不僅推翻了19世紀(jì)'場是超距作用’的錯(cuò)誤認(rèn)識，更在20世紀(jì)直接推動(dòng)產(chǎn)生了具有高度統(tǒng)一性的粒子物理標(biāo)準(zhǔn)化模型?！?/section>

法拉第對電和磁現(xiàn)象的研究得到了重要的數(shù)據(jù)，將其代入麥克斯韋方程組后，可以計(jì)算出電磁波的速度，其速度為每秒30萬千米，且速度與振動(dòng)頻率無關(guān)。這個(gè)速度剛好與光速相同，麥克斯韋由此大膽預(yù)言：光是一種電磁波！

他在宣告這一結(jié)果的論文中寫道：“我們將幾乎肯定地認(rèn)為，光是由引起電現(xiàn)象與磁現(xiàn)象的同一種介質(zhì)的橫波波紋組成的?！?/section>

可是，電磁波到底是否存在呢？如果存在的話，它是以光速運(yùn)動(dòng)的嗎？

麥克斯韋沒能活到他的預(yù)見被實(shí)驗(yàn)證實(shí)的那一天。他在世的時(shí)候，麥克斯韋方程默默無聞。麥克斯韋于1879年11月去世，年僅48歲，這一年愛因斯坦出生了...

Masir 2022/11/13

于東莞

祝幸福~

參考文獻(xiàn):

[1] 《時(shí)空簡史》

[2] 萬維鋼精英日課*3