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【科学史】爱因斯坦与庞加莱的狭义相对论

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从1887年开始,一系列实验并被不死心的人反复证明:光速在所有参照系下是不变的。
后面简称“光速不变”,就是说不管谁以多少的速度奔跑时发出的光,也不管谁在运动的火车上还是在家里还是在马车上,观测得到的光的速度都是c。
1887年,中国还是光绪年间,刚跟老外打了一场大仗,而且是创纪录的中国30000对法国20000,中国胜。这是自鸦片战争以来的第一次面对成规模的外国军队,法国签订了战败条约,获得了越南的保护权但退出了台湾和澎湖,法国名声一落千丈。
之所以讲法国,是因为下面法国的一位国宝,是我们说的重点。
19世纪的最后一天,欧洲著名的科学家欢聚一堂。会上,英国著名物理学家威廉.汤姆生(即开尔文男爵)发表了新年祝词。他在回顾物理学所取得的伟大成就时说,物理大厦已经落成,所剩只是一些修饰工作。同时,他在展望20世纪物理学前景时,他提到物理学的美丽而晴朗的天空上有两朵乌云,第一朵是光速不变实验,另一朵是黑体辐射。
也就是说,1899年的物理学已经非常非常完备了,接下来我们只要把这两朵乌云解释过去就万事大吉了,解释完各位就各回各家各找各妈洗洗睡了,从此世界上只有教物理的了。
当时“以太”这个东东是科学界默认的一个东东,以太是一个绝对静止的东东,而光速不变实验通过对“光速不变”这一计算结果,否定了“以太”这一绝对静止、无所不在的东东的存在。“光速不变”这一实验计算结果,彻底推翻了以“以太”这一绝对静止、无所不在的东东的存在为基础的经典物理世界。
当然,当时不这么用推翻这个词,当时说光速不变实验与以以太理论为基础经典的物理学不相容。
为了解释不断被重复又重复验证的光速对所有参照系都不变的实验结果,在爱因斯坦之前很多人试图用理论解释这一不合情理的现象。
首先是质疑实验者,一帮人反反复复的做了一遍又一遍实验,结果都是光速不变。
然后就是解释为啥,当时出现了很多不靠谱的连当时的科学界都看不过眼的白痴理论。
当时有两个人的解释还算凑合,而第一个显然想推翻经典物理学,就忽视他吧,谁让他是跨界来搞物理学的呢,咱们不理他。这个人就是法国国宝庞加莱,世界超级数学大师。
第二个是洛伦兹,
1892年,荷兰物理学家洛仑兹对光速不变系列实验提出了解释,并为解释光速不变这一现象发明了鼎鼎大名的洛伦兹变换。洛伦兹想了半天,各种无解啊,干脆把时间弄慢了试试?于是他根据观测者时间变慢理论搞出了洛伦兹变换。
为什么要改动时间?没有人知道——洛伦兹自己也坦言他也不知道为什么——也没有理论依据。这个光速不变的版本,承认以太存在。没有悖论。通过一系列计算,引入观察者在观测光速时的时间变慢了,所以看上去光速没有变化,洛仑兹就在没有推翻以太的前提下,提出光速不变。
于是大家都乐呵呵的接受了这一理论,虽然老是需要变换。


IP属地:山东1楼2016-12-02 11:46回复
    1887年中法战争时,雷蒙庞加莱还是一名议员,领导法国近20年并带领法国度过一战的雷蒙庞加莱的堂哥,也就是这里要说的大数学家庞加莱。
    看到物理界这两朵乌云,庞加莱忍不住就跨界了。
    基于对光速不变实验这朵乌云的解释,庞加莱在1897年发表了一篇文章“The Relativity of Space”〈空间的相对性〉,其中已有狭义相对论的影子。
    1898年,庞加莱又发表《时间的测量》一文,提出了光速不变性假设。
    1902年,庞加莱阐明了相对性原理。
    1904年,庞加莱将洛伦兹给出的两个惯性参照系之间的坐标变换关系命名为‘洛伦兹变换’。再后来,
    1905年6月,庞加莱先于爱因斯坦发表了相关论文:《论电子动力学》。
    一个月之后或者说1905年6月30日爱因斯坦的《论动体的电动力学》(反正是翻译,一个法译中一个德译中)投稿。可能大家为什么老觉得为啥老提狭义相对论的投稿日而不是发表日,这就是主要原因了,看投稿日,就算6月的最后一天,两个相对论就也算是在一个月里的了。
    看到这些,你会发现狭义相对论在当时并不是一个多么牛的理论,他有的人家早就有了。直到1915年,爱因斯坦才真正的发表了他的富有原创性的理论:广义相对论。
    这位超级超级数学家,他不过是跨界搞了几个物理理论,就被称为物理界继牛顿之后的另一个里程碑式重要人物。
    庞加莱提出过许许多多具有开创意义、奠基性的大问题,他对时空本身的研究超出了当时各界科学家一大截,一些基本问题我甚至觉得超出了爱因斯坦和量子学的那帮大牛,因为他们的研究大多是建立在庞加莱的基础上的(直到十几几十年后爱因斯坦才开始考虑庞加莱的一些研究,并在他的基础上做了一些研究,比如广义相对论,比如后来无果的统一理论。)。
    这真应了那句话:你努力一辈子,不如人家一下子。
    庞加莱只是偶尔跨界搞搞物理,就秒杀了老爱。可惜,1912年,58岁的庞加莱,这个在数学的几乎整个领域都做出了杰出贡献的在数学界物理界留下了一大大堆理论遗产超级大师去逝了。
    直到1921年,爱因斯坦一直宣称从未读过或引用过庞加莱的理论。
    1905年6月30日爱因斯坦向《物理年鉴》投了他的《论动体的电动力学》,他基于光速不变实验结果、洛伦兹变换以及电子质量随速度增加归纳出一个理论:一切物理定律的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变。并解释因此引起的矛盾:不是因为观测光的时候我们的时间慢了,而是因为光速不变这一实验结果是确确实实的光速不变(后来很多人又因这个光速的不变捣鼓出新的以太学说)。以及E=mc2.
    明白为啥老提投稿日了,你也就明白为啥要提“独立而完整地”提出狭义相对性原理,因为庞加莱没有一次性的把狭义相对论涉及的所有原理写到一篇论文里,这就是“完整的”。而“独立的”就是没看过庞加莱之前的那一系列涉及“光速不变假定”“相对性原理”“等效性原理”等《论动体的电动力学》中提到过的所有理论。

    1911年,用胳膊支着头居里夫人正在跟庞加莱讨论什么问题,后面那一排里站着看的小年轻,就是爱因斯坦。


    IP属地:山东2楼2016-12-02 11:50
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      这篇于1905年6月投稿的“独立而完整地”提出狭义相对性原理的文章,也许会让默默无闻搞研究的爱因斯坦变的小有名气,但当时科学界看来,他的狭义相对论里新的东西并不多(我们不提原创性的东西并不多了,有可能他真没看过庞加莱的理论),就连E=mc^2也早有一个试验有类似的结论。
      但让爱因斯坦变得小有名气最终进入科学院成为院士的,还有1905年以下几篇论文,或者说下面1、2、5这几篇尤其是5对他的名气的贡献更重要一些。
      1、博士论文: 分子大小的新测定
      2、热的分子运动论所要求的静止液体中悬浮小粒子的运动(布朗运动)
      3、论动体的电动力学
      4、物体的惯性同它所含的能量有关吗?
      5、关于光的产生和转化的一个试探性观点
      因为5涉及到的另一个也是源自1887年的一个光电效应实验,而爱因斯坦给出了合理的理论解释,并完美的解释了波粒二象性,还获得了普朗克的芳心。
      可以将爱因斯坦出名几乎完全归功于这篇《关于光的产生和转化的一个试探性观点》论文,谁也不会提它发表或投稿的具体时间,也不会提独立和完整的。因为这篇光电效应论文就是爱因斯坦原创的,并且因为这篇论文爱因斯坦获得了诺贝尔奖。
      国内学术界老提爱因斯坦没有因为狭义相对论获得诺奖,而忽略在诺奖评审中,很少会有人因为在别人提出相似的理论之后提出的理论而独立获奖,除非是一起获奖。但庞加莱去逝太早,否则,也许两人会因为提出狭义相对论而分享某一年的诺奖。


      IP属地:山东3楼2016-12-02 11:52
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