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爱因斯坦和牛顿理论背后的信念(2) 2009-12-11 20:29:45

 

上回说到在牛顿理论工作后面是这样一个信念:地上和天上的物理学是同一个物理学;而在爱因斯坦相对论后面的信念是:不同参照系下的物理学是同一个物理学。

 

老牛时代的物理学只有运动学,物理学作为科学中的科学还没有从哲学中独立出来,他出版的书不是叫做“自然哲学的数学原理”吗?老牛认为他是在研究自然哲学,为此他觉得手头的“工具”太不好使,顺便发现了微积分。对于数学理论,我不知道用“发现”这个词好,还是“发明”好。当年为此,和同学争论地面红耳赤恼羞成怒,在此不表,暂且用我倾向的“发现”吧。

 

设想两列平行匀速行驶的列车,两个有相互运动。一个列车里的自由落体,会被另一个列车的观察者看为抛物线轨迹的运动。一个参照系中是直线运动,而另一个是抛物线运动。老牛认为现象不同,但本质相同,应用一个坐标变换,就可以从一个参照系观察的现象得到另一个参照系的看到的现象,在牛顿力学中这种变换叫做伽利略相对性原理。在下不才,认为这是科学的本质:尽量用最少的假设,解释最多、最不同的物质现象。

 

有人问了,别逗了,牛顿那个时候哪有列车呀,顶多只有马车。是的,要不是牛顿的贡献,列车永远不会出来。那好,设想两辆马车….,哈哈,马车可不能匀速直线运动。对了,如果只看到现象界,人是永远无法“发现”科学的。科学必须构造一个理想的世界,认为那个理想的世界比现实的世界更真实,这又是柏拉图哲学的理念了,不要在这里传教的好。

 

欧洲后来两百年都在消化老牛的理论,用更精巧的数学来复述,用在流体气体上面。但一个完全不同的学科诞生了,那就是电磁学。老牛是个英国人,但欧洲大陆那些老外,比英国人还英国,他们死都要坚持用“力”这个老牛的概念,于是,库伦安培等发展了电动力学,来考察电磁现象。而英国的法拉第,这个不懂数学的家伙,提出了一个看不见摸不着也感受不到的“场”的概念,经过伟大的麦克斯韦,构造了电磁场理论。

 

老爱面时代的物理学不再仅仅是粒子的运动学,而是两个大的分支牛顿力学和电磁场理论。老爱的过人之处就在于发现了这两大分支之间的不和谐,他把他们弄和谐了。光速不变这个说法,是个小噱头而已。这是我的观点,如有雷同,纯属偶合,哈哈。

 

假设两列相互运动的列车,…,你怎么老用列车?列位看官,喜怒,后面有精彩的别的比喻。且容我用两列平稳行驶的列车为例。

 

例子一:在一个列车上挂了一个带电小球,那个列车的物理学家忙着测量,根据电磁理论,他们只能测到电场;根据电磁理论,由于运动的电荷就是电流,匀速电流产生恒定的磁场,所以另一个列车的物理学家只能测出磁场。两家物理学家争吵地很厉害,到底空间只有电场还是只有磁场,各持己见。如果再有第三个相对前两个旋转的列车,那个列车里的物理学家一定既测出电场又测出磁场,他们测出了电磁波!电磁场不是客观存在的吗,怎么和彼此的运动状态有关?在电磁理论中,时间和空间纠结在一起了。

 

例子二:在A列车上一群变化的电荷,根据电磁理论,他们发出一束激光(电磁波),这就是加速器的原理,一群物理学家测量这束光的相对列车的速度,根据电磁理论,光速只依赖于周围的煤质,假设是真空,那就是标准光速C。同时,对于B列车上的物理学家来说,A列车那群电荷的变化速度是不同的,但根据电磁理论,他们测到的仍然是光速C!真是奇怪了,为什么不是C+VVA列车和B列车的相对速度?这暴露了牛顿力学和麦克斯韦电磁理论之间的一个矛盾。

 

老爱的过人之处在于他的物理直觉,他说他从16岁起就想:如果像光速一样运动,会看到什么样的世界?他发现了两大物理理论的不和谐之处,面临一个恐惧与颤栗的选择,修正牛顿力学还是修正麦克斯韦理论?到了26岁,老爱终于将牛顿力学和麦克斯韦电磁场理论在不同个坐标系下和谐起来,他选择修理牛顿。但他给了牛顿面子,在低速运动情况下,他的理论仍然是足够好的近似,戏言戏言嘿嘿。其实,对于狭义相对论,他只是走了小小的一步,已经有了“洛仑兹变换”来转换不同坐标系下的电磁现象,但这小小的一步透露的是老爱超强的直觉。这一小步将一个平时西装革履头发规规矩矩的专利局小职员,变成了不修边幅每根头发都桀骜不驯彰显牛人派头的科学的象征,哈哈,老爱也懂作秀的真谛!不知老牛的发型如何。

 

现在不假设两列列车了,那是无数教科书的俗套。现在换个时髦的假设来重新审视一下老爱和老牛理论后面共同的信念。

 

假设两个遥远的星球上面住了两种人类,一个就是我们地球人吧,一个就叫他们火星人好了。火星人有四个眼睛,四个耳朵。眼睛可以看到从无线电到伽马射线,耳朵可以听到超声波。火星人观察到的世界和我们完全不同,他们也发展了他们的物理学。有一天,地球人和火星人突然发现了对方,首先需要编出地球人-火星人字典,这个是言正轻君的工作,哈哈。在吃喝拉撒奇婚异俗的好奇搞明白之后,地球人和火星人终于可以开始讨论对方的物理学了。像周瑜和诸葛亮一样,他们约定彼此先把各自的物理学公式写在一张餐巾纸上,如果火星人也要吃饭的话,嘿嘿。然后,一二三同时铺在餐桌上,比较一下。老牛和老爱,两个大牛,眼睛都不用瞅那两片餐巾纸,就直接宣布“地球人的物理学就是火星人的物理学,因为不同的眼睛,同一个世界”。这就是他们两个大牛的科学信念:物理学规律不依赖于观察者,在纷繁复杂变化多端的现象后面是那不变的物理规律。

 

没有人可以证明这个信念,也没有人可以证伪这个信念,因为这是他们对于科学的信仰。将这种科学信仰推广到存在加速度的两个参照系,就构成了广义相对论,那不是我可以插嘴的地方了。

 

我强烈觉得把老爱的理论叫作相对论,是严重误导观众的行为,应该叫作绝对论,不同的现象后面是绝对不变的宇宙规律,不依赖于观察者。这就是老爱和哥本哈根学派较劲的地方,那是量子力学与传统物理学背后的根本理念之争,在下没有能力评论。

 

牛顿是这个科学信仰的开创者,而爱因斯坦是将这个科学信仰发挥到极致,是传统物理学集大成者。虽然老爱也对量子力学有所贡献,但他对量子力学背后的信念耿耿于怀,不能接受。

 

对于我来说,没有牛顿,我想不出谁可以短时间内构造出那套理论,而对于狭义相对论,在那个激动人心物理学狂飙突进的时代,几乎是呼之欲出的,应该有人几乎得到同样的结果。对于广义相对论,我就不知道了,也许非老爱莫属。

 

“物理学规律不依赖于观察者所在的参照系”这样的信念不是科学本身可以验证的。更改这个信念,就是科学的革命,就像非欧几何对于欧几里德几何的颠覆一样。伟大的科学家必然是伟大的哲学家,同时有着宗教信徒般地热诚将他的科学信念贯彻到极致的情况,原谅我最后这点主观判断。最后,怯怯地说:牛顿似乎最牛,老爱、麦克斯韦、法拉第等并列第二,如何?

 

浏览(1658) (1) 评论(2)
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作者:firm 留言时间:2014-05-23 15:09:44
楼上的跟贴确实要补一补基本物理教程。打个比方,小学一年级同学应该学习加减法,不能教他微积分。即使从头谈起,估计也很难理解。
回复 | 0
作者:张平特拉维夫 留言时间:2010-10-15 00:53:56
不好意思,问个困扰我很久的物理问题(我对物理是纯粹外行,别见笑):

我们知道时间以光速运动,换算成距离就是:d=ict。这个公式里,i只代表虚数,对不对?

现在我们知道实际上万物都以光速运动,只是我们的运动速度在四个维度上被分散了,这样算下来,我们在时间维度上的运动速度就小于时间本身的运动速度,换算成距离,就是d=i(c-x)t,x代表我们在空间三个维度上的运动速度。

既然如此,为什么相对论里物体的四维坐标仍然是(ict,x,y,z),完全不考虑我们在空间维度上的运动?难道是因为我们在空间上的运动速度太小而被忽略了?

再广泛一点,我们实际上是以慢于时间的速度在运动,这个“慢”对我们的实际生活有影响吗?
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