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狭义相对论的奠基人,即使没有爱因斯坦,他很快也会提出相对论!

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提到相对论,几乎无人不知无人不晓。你可以不了解相对论到底是一个什么样的理论,但你肯定听说过相对论。



而提到相对论,又不得不提到爱因斯坦。如今相对论基本上与爱因斯坦划上了等号,爱因斯坦之所以如此伟大,主要也是因为相对论。

但如果你真的详细了解了相对论诞生的前世今生,就会明白,在爱因斯坦提出狭义相对论之前,其实有好几个物理学界的大佬已经触摸到了狭义相对论的精髓了,比如说庞加莱,洛伦兹等人。



尤其是洛伦兹,他已经提出了洛伦兹变换,还有尺缩效应,距离狭义相对论就差“一层窗户纸”需要捅破了,可惜“造化弄人”,由于洛伦兹“紧抱”以太的概念不放,最终与狭义相对论失之交臂。

可以说,即使没有爱因斯坦,洛伦兹等人也会很快提出狭义相对论。甚至科学界有些科学家认为就是洛伦兹提出的狭义相对论,虽然这种观点不被大众认可,但可以看出洛伦兹距离狭义相对论有多近!

而且,在爱因斯坦的狭义相对论中,洛伦兹变换被引入,作为一个非常很重要的方程。

下面一起简单回顾下洛伦兹与狭义相对论的“恩恩怨怨”。

其实,与爱因斯坦一样,洛伦兹也发现了牛顿经典理论与麦克斯韦方程组之间的矛盾,主要矛盾就是麦克斯韦方程组中推导出来的“光速不需要参照系”(也就是后来的“光速不变原理”),而牛顿经典力学强调任何速度都需要有参照系才有意义。



牛顿经典力学统治了物理学界几百年了,而麦克斯韦方程组又是如此优美如此伟大,洛伦兹谁都不敢“得罪”。也是洛伦兹开始“左右逢源”,开始为调和牛顿力学与麦克斯韦方程组而努力着。

而“以太”的概念是最好的调和者。不过“以太”概念的提出非但没有成功调和牛顿力学与麦克斯韦方程组,反而在后来带来越来越多的麻烦。况且之后的迈克尔逊莫雷实验也证明了以太是不存在的。

如此一来,牛顿力学与麦克斯韦方程组就没有任何调和的余地了:两者其中之一必然有一个是错误的。

但牛顿经典力学的统治力在当时的物理学界实在太强悍了,在物理学界大佬的心里面是不可动摇的。于是洛伦兹开始“变着法”地协调牛顿力学与麦克斯韦方程组,他把光看作在静止的以太中传播的一种特殊情况,如果再遇到问题解决问题就好了。

后来也真的遇到不少问题,最大的问题就是相对速度问题。在牛顿力学绝对时空观中,两个速度可以直接叠加,比如说你我分别以5米每秒的速度反向奔跑,我们的相对速度就是10米每秒。



其实这种速度叠加用物理学术语表示就是“伽利略变换”。

但是一旦速度达到亚光速,比如说你我的速度达到0.6倍光速,那么按照伽利略变化,我们之前的相对速度就应该是1.2倍光速,已经超过了光速。但麦克斯韦电磁理论表明光速是宇宙最快的速度,而且光速是不变的。

为了调和这种矛盾,洛伦兹给出了这样的解释:物体在高速运动中长度(空间)会缩短(其实就是尺缩效应),从而避免了相对速度超越光速,同时还提出了著名的洛伦兹变换:



通过上面公式可以看出,伽利略变换就是洛伦兹变化的特例,在低速世界的近似值。

自始至终,洛伦兹都不愿意放弃“以太”的概念,都在试图调和牛顿力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾而努力。如果洛伦兹早点放弃以太的概念,他将代替爱因斯坦首次提出狭义相对论。



而爱因斯坦更伟大之处就在于他善于打破传统,在于他那颠覆性的思维方式:以太的概念本来就是假设的,还带来如此多的麻烦,为何不用“奥卡姆剃刀”直接把它“咔嚓”掉呢?



于是,秉承着“奥卡姆剃刀原理”中的“如无必要勿增实体”的原则,爱因斯坦果断放弃以太的概念,狭义相对论应用而生!

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