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现代物理学导论 3
现代物理学概论; 第 三 章
走 近 相 对 论;一、爱因斯坦
爱因斯坦生于德国乌尔姆一个犹太小工厂主的家庭里,幼年时性格内向且学习成绩一般。他父母酷爱音乐,这对他产生很大影响,小提琴和数学物理一起,伴随了他的一生。
1905年是爱因斯坦的丰收年。这一年他26岁。
1902年前后爱因斯坦展开了自己的学术生涯。他最初研究毛细现象,然后研究布朗运动、光电效应和时空理论,发表了一系列重要论文。; 1905年,除去博士论文外,他还连续完成了4篇重要论文,6月,发表解释光电效应的论文,提出光量子学说;7月,发表布朗运动论文,间接证明了分子的存在;9月,发表题为《论运动物体的电动力学》提出了相对论(狭义);11月,发表有关质能关系的论文,指出E=mc2,此关系是制造原子弹的理论基础之一。
在《论运动物体的电动力学》中,爱因斯坦提出了开天辟地的新思想,抛弃了以太论和牛顿的绝对时空观。
; 在他提出相对论的划时代论文中,充满了难懂的革命性新思想,却只用了当时本科生就能看懂的数学工具,并没有引用任何参考文献。(很难通过审稿)爱因斯坦很幸运,这篇论文的审稿人是水平高、思想活跃而又不压制年轻人的普朗克。
1915年,爱因斯坦又发表了广义相对论,提出时空弯曲思想。
相对论的时空观念与人们固有的时空观念差别极大,很难被普通人理解。人们都称赞爱因斯坦伟大,但又弄不懂这伟大的内容,人们不禁又想起了英国诗人波谱歌颂牛顿的诗句:
自然界和自然界的规律隐藏在黑暗中,
上帝说:“让牛顿去吧。”
于是一切成为光明。
;在看到相对论后,又续写道:
但不久
魔鬼说,“让爱因斯坦去吧”,
于是一切又回到黑暗中。
在物理学界对创造过程感到最快活的,就是彻低挣脱已知事物限制的人。越过已知事物的障碍,深入尚未探索的领域,拥有小孩子一般如实看世界的能力。
悟道不难,维持初心才难!;二、洛仑兹收缩与洛仑兹变换
相对论诞生前夜,物理学碰到的另一个难题。
19世纪下半叶,麦克斯韦导???了电磁场方程。从麦克斯韦方程组得到一个重要结论:电磁波以光速传播。且光速在只有以太的真空中是一个恒定常数。
由伽利略相对性原理,物理规律在一切惯性系中都相同。麦克斯韦方程在所有惯性系中都成立,就是说光速在任何惯性系中都应是C
按照牛顿的观点,所有相对绝对空间相对静止或做匀直运动的参考系都是惯性系,惯性系之间差一个相对运动速度v。
假如A,B都是惯性系,且它们相对速度是v,那么,光的速度若在A中是C,则在B中就应是A+C或A-C。可麦氏理论准确无误地告诉我们:光速只能是C。
; 到底是什么因素导致以上矛盾?毛病出在哪里?
当时,以太理论在人们头脑中根深蒂固,虽然物理理论遇到重大问题,而且迈克尔孙实验也暴露出这一深刻矛盾,绝大多数人仍不怀疑以太的存在。
为了保留以太理论,同时克服上述理论和实验上的困难,当时最杰出的电磁学专家洛仑兹等人决定放弃相对性原理。他们想得留麦克斯韦的结论,同时解决迈克尔孙实验与光行差实验的困难。为此他们提出,以太相对绝对空间是静止的,麦氏理论只在相对以太静止的惯性系中成立。光波相对以太的速度是C,相对于运动系的速度不再是C。同时提出一个新效应:相对绝对空间运动的刚尺会在运动方向上产生一个收缩(洛仑兹收缩)。; 洛仑兹收缩可以解释为何迈克尔孙实验观不到地球相对以太的运动,是因沿运动方向放置的镜筒发生了洛仑兹收缩,缩短了光程,从而抵消了相对运动带来的光程变化。
他们进而认为,洛仑兹收缩是物理的,会引起收缩物体内部物理结构的变化。并根据这理论,放弃了体现相对性原理的伽利略变换公式,导出了新的洛仑兹变换公式。
洛仑兹变换的好处是,第一,可导出刚尺收缩公式;第二可保持麦克斯韦方程组在洛仑兹变换下形式不变。;三、突破绝对时空观---相对论诞生
归纳一下前面所述的困难:
光行差问题---说明以太相对地球有漂移,似乎存在绝对静止的以太。
迈克尔孙实验---没有测到这种漂移。说明要么以太不存在,要么地球和以太相对静止(地心说)。
麦克斯韦理论和咖利略变换的矛盾。
其实,以上困难可以归纳为两个疑难:
一个是光速是否恒定?
一个是不论在物理还是在哲学上,我们都不能确定所谓移动或不移动是什么意思。
; 面对这两大疑难,只有爱因斯坦用“初心”来看,看到的结果就是狭义相对论。
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