愛因斯坦發現狹義相對論的原因竟然就在你的冰箱上
2020-12-05 前瞻網愛因斯坦發現狹義相對論的原因竟然就在你的冰箱上
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藝術家對磁星的假想圖。來源：ESA - Christophe carau。
磁鐵和磁力在我們的日常生活中無處不在，它們幫助我們在不熟悉的地方找到方向，並把孩子們的畫貼在冰箱上。但除了這些常見的例子外，磁場在宇宙力量中似乎總是起著次要的作用。當然，每隔一段時間，它們可能會手握大權——比如在極其危險的磁星環境中，或者在非常有用的核磁共振掃描儀環境中——但在大多數情況下，它們所做的只是存在，被它們更強大的同類推來推去。
儘管它們相對來說不重要，但它們也有一些秘密。
磁鐵只對運動起作用
想像一下，一個單獨的、靜止的帶電粒子會產生電場。這個電場環繞在粒子的四周，並指示其他帶電粒子如何反應。如果附近有帶相同電荷的粒子，它就會被推開，如果有一個帶相反電荷的粒子離該粒子很遠，它就會被輕輕拉近。
但是如果這個電荷一旦開始運動，會發生一件令人驚訝的事情：一個新的場出現了!這個奇特的場以一種奇怪的方式運動：它不是直接指向或指離電荷，而是繞著電荷旋轉，並且總是與電荷的運動方向垂直。並且一個在附近的帶電粒子只有也在運動的情況下，才會感覺到這個新的場，而且它感受到的力也垂直於它運動的方向。
這個場，為了方便起見，我們叫它磁場，它是由移動電荷引起的，同樣也只會影響移動電荷。但是沒見你冰箱上的磁鐵動過啊，那又是因為什麼原因呢?
你的磁鐵本身是不動的，但組成這塊磁鐵的東西卻在動。磁鐵中的每一個原子都有一層又一層的電子，而電子是帶有自旋性質的帶電粒子。自旋是一種基本的、晦澀難懂的量子性質，雖然嚴格來說，把電子看作是微小的自旋金屬球是不正確的……但出於解釋磁性的目的，我們可以暫且把電子看作是微小的自旋金屬球。
這些電子是運動中的電荷，每個電子都會產生其自己的、極其微小的磁場。在大多數材料中，電子間不同的運動方向抵消了任何宏觀的、肉眼可見的磁場，但磁鐵是那種有許多電子整齊排列的材料，這使得磁場大到足以把東西粘到冰箱上。
可能存在的磁單極
因為我們在宇宙中看到的所有磁場都是由移動的電荷產生的，所以你永遠不能把南北磁極(「單極子」)分開。它們總是成對的，如果你把一塊磁鐵切成兩半，你只會得到兩塊更小、更弱的磁鐵，它們的內部電子仍然和以前一樣在旋轉。
磁體的這種性質在過去(和現在)已經廣為人知，以致於詹姆斯•克拉克•麥克斯韋(James Clerk Maxwell，發現電和磁是根本聯繫在一起的人)，把「磁單極並不存在」這句話硬塞進了他的方程，然後就撒手不管了。幾十年來，我們都沒有理由懷疑這個結論，我們聽之任之。
但是，當我們注意到怪異而奇妙的亞原子世界時，我們對量子力學的理解不斷加深，我們開始對這個想法產生了疑問。而量子領域的先驅保羅•狄拉克(Paul Dirac)注意到，這種新物理領域的深奧數學中隱藏著某種有趣的東西。
來做一個思想實驗，如果宇宙中有一個磁單極存在的話，你把它和一個普通的電荷配對，那麼這兩個粒子就會開始旋轉，這個旋轉與距離無關，無論這兩個粒子相距多遠它們都會開始旋轉。但是狄拉克知道角動量(在一個圓中運動的動量，就像在這對旋轉粒子中的一樣)是量子化的——在我們的宇宙中角動量是離散的。所有的物體都是這樣的，包括我們這對奇特的粒子。
這就是問題所在：使用這個推理，狄拉克意識到如果角動量是量子化的話，那麼這些粒子上的電荷也必須是量子化的。而由於這一效應與距離無關，所以如果在整個宇宙中，存在那麼一個磁單極，那這將直接導致電荷的量子化，在此之前，我們一直認為電荷量子化是沒有理論依據的實驗事實。
磁鐵是狹義相對論的關鍵
麥克斯韋爾(James Clerk Maxwell)發現的電磁之間的聯繫並非是膚淺的。他意識到它們是同一硬幣的兩個面，而這個硬幣就是「電磁」。變化的電場可以產生磁場，反之亦然;此外，一種被稱為光的現象僅僅也只是電磁開始相互擺動時發生的現象而已。
愛因斯坦是麥克斯韋研究成果的頭號粉絲，他將這個研究成果往前再推進了一步。他意識到電、磁和運動之間是有聯繫的。來，重新開始想像一下，同樣，一個單獨的、靜止的帶電粒子，產生著同樣無聊的電場，但如果你開始在它旁邊跑步經過呢?你猜猜會發生什麼?
從你的角度來看，電荷是運動的。那麼我們重新回想一下，運動的帶電粒子會怎麼樣來著?不錯，它們會產生磁場。所以，電場和磁場不僅僅是一枚硬幣的兩個面，而且你還可以通過簡單的運動來將它們相互轉換。這也意味著不同的觀察者會對他們所看到東西的產生不同的看法：一些固定的觀察者可能會看到一個電場，而一個正在運動的觀察者可能會發現同一個源頭正在產生磁場。
正是這種思想指引愛因斯坦走上了一條發現我們現在稱之為狹義相對論的道路，從而奠定了現代科學的基石，所有的這些我們都得要感謝默默無聞的磁場。
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愛因斯坦是如何發現狹義和廣義相對論的?
先直接回答你的問題：當然是數學方法+物理思想推出來的，跟實驗方法幾乎沒關係。相對論創立初期整個理論體系就非常完善了，但是壓根沒人相信他，為什麼？就是因為沒有實驗驗證，直到愛丁頓在1919年觀測到了和廣義相對論相符的日食現象，愛因斯坦和相對論才開始慢慢被大家接受，而愛因斯坦提出狹義相對論的那一年是1905年，足足過去了14年。 -
愛因斯坦的「狹義相對論」
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為什麼廣義相對論比狹義相對論更完善?原因就在這裡!
愛因斯坦有兩大著名的相對論，一個是狹義相對論，另一個則是廣義相對論。狹義相對論的提出早於廣義，並且狹義相對論的範圍並沒有廣義那麼大，而且不涉及引力。在愛因斯坦提出狹義相對論之後不久大約10年，廣義相對論便誕生了。 -
相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
上篇：《相對論誕生：愛因斯坦是如何創立狹義相對論的？（上）》16不存在絕對運動馬赫對愛因斯坦創立狹義相對論的影響是非常巨大的。愛因斯坦在學生時代就讀過馬赫的《力學史評》，奧林匹亞科學院（大學剛畢業的愛因斯坦和幾位朋友創建的一個以科學和哲學的交界問題為主題的學習小組。 -
相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論
所以，愛因斯坦提出了狹義相對論之後，洛倫茲一方面對愛因斯坦的工作大加讚賞，另一方面卻依然堅持自己的以太，這是很多人難以理解的。在狹義相對論之前堅持以太就算了，怎麼狹義相對論都出來了，你還堅持以太？我覺得在面對巧合這個事情上，是最能體現愛因斯坦之所以是愛因斯坦的。科學上有各種各樣的巧合，那麼哪些是真巧合，哪些只是看起來像巧合，背後還有更深層的原因沒有被發現？要回答這些並不容易，它需要我們對這些問題進行深入而透徹的思考。 -
相對論誕生：愛因斯坦是如何創立狹義相對論的？（下）
我覺得在面對巧合這個事情上，是最能體現愛因斯坦之所以是愛因斯坦的。科學上有各種各樣的巧合，那麼哪些是真巧合，哪些只是看起來像巧合，背後還有更深層的原因沒有被發現？要回答這些並不容易，它需要我們對這些問題進行深入而透徹的思考。 -
愛因斯坦是如何想到狹義相對論的?
在狹義相對論被發現的過程中，不少科學家都已經接近相對論，所以愛因斯坦自己都說過：如果我不發現狹義相對論，2年後也會有人發現。因為當時的科學發展，從牛頓力學和電磁學已經無法解釋光速不變這一現象，但是無數實驗又告訴我們，光速就是不變的，所以人們只需要改變自己長久以來的常識，並默認光速不變這一事實，都可以推出狹義相對論。 -
愛因斯坦狹義相對論中最重要的悖論埃倫費斯特悖論
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相對論誕生：愛因斯坦是如何創立狹義相對論的？（上）
這裡只介紹幾個跟愛因斯坦創立狹義相對論關係比較大的實驗。已經講了，愛因斯坦主要是從協調牛頓力學和麥克斯韋電磁理論的角度來創立狹義相對論的。這個原因嘛，雖說愛因斯坦有那些一階光學實驗就夠了，麥可遜-莫雷實驗對他創立狹義相對論並沒有什麼直接的影響。 -
狹義相對論和廣義相對論到底有啥區別?
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狹義相對論:時間膨脹
愛因斯坦的相對論分成狹義相對論和廣義相對論兩部分， 其中狹義相對論主要是針對高速運動的物體的規則。 -
你能聽懂的狹義相對論
前2篇簡單講了下黑洞，今天我們來談談相對論，不得不說老愛太牛逼了。1905年，愛因斯坦發表了狹義相對論，十年後又發表了更牛的廣義相對論，至今已有100多年了，但是他的理論還是讓人難以理解。說狹義相對論之前，先說說幾個物理學牛人。 -
廣義相對論和狹義相對論
段子來源於網絡這回大家懂了不，相對論，就是一個關於時間，空間，引力的理論。李金老師的話來說就是這些玩意兒都不是一個絕對的值，你以為的五分鐘在別的地方可能是五萬年，全都是相對的。此套由愛因斯坦老爺子創建。 -
狹義相對論和廣義相對論的區別是什麼?
要了解狹義相對論和廣義相對論的區別，我們首先要搞清楚，這兩個理論大概說了什麼？狹義相對論我們先從狹義相對論說起，其實狹義相對論解決了一個物理學的重大矛盾。後來，26歲的愛因斯坦提出了狹義相對論。有人說他高舉了奧卡姆剃刀原理才成功的，這個奧卡姆剃刀原理大意是：如無必須勿增實體。翻譯過來就是，咋簡單咋來。既然光速是不變的，那為啥還要假設「以太」？於是，愛因斯坦就以「光速不變原理」和「相對性原理」為基礎假設，推導出了狹義相對論。 -
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事實上，牛頓力學是這樣認為，叫做速度疊加公式，而愛因斯坦的狹義相對論中也有速度疊加公式，它的速度疊加公式是符合光速不變的假設的。牛頓力學的速度疊加公式牛頓是一個非常偉大的科學家，他的偉大成就不僅僅是提出了微積分，而且提出了牛頓三大定理，以慣性係為基礎，提出了宏觀、低速的條件下力的運動規律。 -
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此外，愛因斯坦還解釋了布朗運動的本質、提出了新的固體比熱容理論、創立了狹義相對論與廣義相對論……1905年，愛因斯坦提出光量子假說、完整的狹義相對性原理，因此這一年被稱為「愛因斯坦奇蹟年」。因為愛因斯坦等人的孜孜不倦，20世紀的物理學得到飛速發展。 -
神奇的愛因斯坦狹義相對論的公式推導
相對論的產生歷程愛因斯坦思考了十年之久才創立狹義相對論，中間的思考過程非常複雜又極其精彩。 -
請問,愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證?
請問，愛因斯坦狹義和廣義相對論是否得到實驗的嚴格驗證？這些驗證實驗具體如何做的？狹義和廣義相對論都由愛因斯坦分別在1905年和1915年提出，是世界上最先進的科學理論，為基礎物理奠下了堅實的基礎。也都已經被世界各國嚴格驗證很多遍，種種實驗和觀察都驗證了兩大相對論的正確性，今年的「M87黑洞」照片就是有力的證明。大多數人比較熟知廣義相對論，因為今年4月10日公布過第一張M87黑洞照片，讓大眾上了一堂科普課。而狹義相對論所知者並不多。 -
怎樣理解狹義相對論——狹義相對論簡析
狹義相對論主要是解決麥可遜-莫雷實驗中得到的光速各向不變的結果裡的速度疊加矛盾的。注意：這裡的時間是與空間一體的，也就是你不能把時間維度從任何一個空間維度中抽離出來。，而要用狹義相對論的速度疊加，根據狹義相對論速度疊加公式，速度疊加並不再是1+1=2，而是1+1<2。 -
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