相對論最早是「洛倫茲」發現的?愛因斯坦搶了洛倫茲的學術成果?

2020-12-06 小彭來給您解惑

前面幾期我講解了狹義相對論的相關知識,我們多次提到「洛倫茲變換」,但是大家想過沒,狹義相對論明明是愛因斯坦最先發現的,為啥這個重要的變換要叫「洛倫茲變換」,不叫「愛因斯坦變換」,今天我們就來談談這個問題。不知道大家還記得不,我們所處的這個宇宙有四個物理量是相對的:速度、時間、空間和質量。當我說一個物理量是相對的,那麼有兩個邏輯前提是啥?

1、談這個物理量前必須指明參考系

2、變換參考系物理量值會發生改變。

其實除了以上兩條,我們還可以加一條:物理量要比較必須在同一個參考系才行。所以有了三條標準我們再來看這四個物理量你就會發現,我們的時空觀和牛頓的「絕對時空觀」有很大差別了。因為牛頓認為我們的世界只有「速度」才是相對的,其餘都是絕對的。

到底是「愛因斯坦的相對時空觀」正確,還是「牛頓的絕對時空觀」正確呢?無數事實已經證明愛因斯坦對了,但是我們同時也知道,牛頓的「絕對時空觀」也沒完全錯,因為當我們的速度很低的時候,牛頓的時空觀其實是很接近事實真相的,也就是說牛頓的時空觀是低速情況下的一個近似而已。

由於時空和空間具有相對性,那麼面對同一個物理過程,選擇了不同參考系測量出來的時間和空間就會有差別,並且每一個參考系下測量出的時間和空間都是正確的,我相信這個大家已經理解,但是這一切的一切,都是建立在兩個假設基礎之上。

1、物理規律在所有慣性系下保持不變(意思是物理規律不會因為慣性系切換就改變了)

2、光在真空中的速度恆定為C

由於做了以上兩條假設,我們根據邏輯往下推自然就會得出結論:時間和空間是相對的,所以當你覺得愛因斯坦的時空觀錯了,你只能去反駁剛剛的這兩條假設,如果你也認為這兩條假設正確,只是由假設往下推的過程錯了,所以證明愛因斯坦相對論錯了,那麼非常遺憾的告訴你,這個推理過程絕對是沒錯的,因為驗證「推理過程」比驗證「假設」要簡單的多。

我們分析看看這兩條假設到底對不對,首先第一條假設我想大家應該沒有質疑,因為物理規律的確不會因為慣性系切換而變化,比如我在地面上發現速度公式是v=s/t,然後我在勻速直線運動的火車上不可能發現速度公式變為:v=s*s/t,也就是說換了慣性系物理規律依然沒變,要反駁這條假設那簡直是再找虐。

所以我們來看看第二天假設,不少人肯定會疑惑,光為什麼真空中速度恆定不變,明明速度的相對的,我如果能騎著一束光去看另一束光,那麼另一束光應該和我相對靜止才對,那麼此時我感覺到另一束光的速度應該是0才對,為什麼光速會恆定不變。

但是第二條假設可惜實驗證明也是正確的,你如果不信可以真的去做實驗測光速,你可以三個實驗:

1、你左手拿一個測光速儀器靜止於地面,右手拿手電筒,然後突然把手電筒打開,然後馬上拿儀器測量手電筒的光速,你會發現儀器顯示是C

2、你是在一列向前運動的火車上,你手裡拿手電筒,儀器放地面,然後你打一束光,讓地面的朋友幫你測下光速,你會發現儀器顯示依然是C

3、你還是在一列運動火車上,只不過此時火車往後走,你手拿電筒,儀器還是放地面,然後你往前打一束光,讓地面朋友幫你測下光速,你會發現儀器顯示還是C。

也就是說光速不變這條假設,不是憑空現象的,而是人們做實驗發現的,人們發現光速真的是一個bug,無論儀器相對於光源做啥運動,儀器測量出來的數值總是C不變,所以人們為了解釋這個問題,可謂是絞盡腦汁。其中有一個人「洛倫茲」就提出一種假設,可能當物體運動太快,物體的長度會因為受到強烈的「以太風」而收縮,所以在運動方向上的長度變短了。

也就是說洛倫茲認為世界上存在一種物質叫「以太」,這個物質也就是我們的絕對參考系,所有的時間和空間都應該以這個絕對參考係為標準才是最正確的,而你速度越快,你運動方向受到的以太風就越強烈,你運動方向上的長度就會被壓縮,從而導致測量出來的光速永遠不變。

這個解釋其實已經很接近相對論的思想了,洛倫茲不僅提出了這個想法,還根據剛剛的兩條假設:1物理規律在慣性系下不變。2、光速真空中恆定不變。推出了「洛倫茲變換」,這個變換可以定量的計算出當你高速運動時,你運動方向上的長度到底縮短了多少,也就是說把他的這個假設理論給量化了。

但是洛倫茲的這個假設有個致命問題,那就是洛倫茲認為這個長度被壓縮的效應,是一種絕對的效應。這個怎麼解釋呢?洛倫茲認為一個物體靜止時長度是10米,當物體以接近光速運動時,地面人看物體會變成2米,而物體上面如果也有一個人騎著物體走,這個人去看這個物體會發現也是2米,當這個物體從高速變回靜止於地面後,地面人發現這個物體還是2米。

也就是說洛倫茲認為「運動物體長度收縮」這個效應一旦產生就是絕對的了,不會因為參考系變化而變化,就算物體再次回到靜止,已經產生的收縮效應也不會改變,其實洛倫茲的這種思想本質上來說還是「絕對論」。

那麼愛因斯坦是如何看待這個過程的呢?愛因斯坦認為當物體靜止於地面長度的確是10米,當物體接近光速運動時,地面人看物體會變成2米,但是騎著物體一直走的人看物體還是10米,也就是同一個物體不同參考系下去看會得到不同的長度,並且每個長度都是正確的,沒有一個所謂的「標準長度」,你不能說地面人看物體是2米錯了,騎著物體的人看物體依然是10米就對了,因為其實2米和10米都是對的,只不過大家參考系不同而已。而且當物體再次靜止於地面,地面人會發現物體又變回了10米,當然騎著物體的人依然發現這個物體還是10米。

我們再來看整個過程地面人和騎著物體的人看到的場景,

物體靜止地面,地面人看物體是10米,騎著物體的人看物體也是10米

物體接近光速運動,地面人看物體是2米,騎著物體的人看物體還是10米

物體再次靜止地面,地面人看物體是10米,騎著物體的人看物體還是10米

經過以上分析,大家應該明白「洛倫茲」和「愛因斯坦」觀點的差別了沒?洛倫茲認為一旦造成了「收縮效應」就是絕對的效應了,但是愛因斯坦認為這種「收縮效應」是相對的。

不過雖然兩者觀點上有差別,但是在數學表達上,洛倫茲變換和愛因斯坦的變換是完全一致的。所以儘管是愛因斯坦發現了狹義相對論,但是洛倫茲是第一個給這種「長度收縮」效應量化表達了出來並且給出了公式,所以我們還是把這個變換叫「洛倫茲變換」,不叫「愛因斯坦變換」,以彰顯洛倫茲在相對論發現過程中做出的貢獻。

其實愛因斯坦自己都說,當時接近狹義相對論的物理學家已經有好幾個了,如果自己不發現狹義相對論,2年內必然會有人發現,洛倫茲如果摒棄牛頓的絕對時空觀,把時間和空間改為相對,那麼狹義相對論就完全可以由洛倫茲來發現了,可惜他依然沒有戰勝人類幾千年建立的直覺「時間和空間是絕對的」。

不僅僅是洛倫茲,物理學發展到如今可以說99%的人依然不理解「時間和空間」是相對的,為什麼狹義相對論都發現了這麼多年,還是有這麼多人覺得這個理論難以置信呢?因為這個理論違反了人類幾千年建立的直覺,人類都是比較趨向於相信直覺的。我們對事物的對錯做判斷很多時候都是第一時間依賴我們的直覺,然後再直覺下做推理,事實證明直覺不等於真相,只有通過理性才能揭示真相。

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  • 為什麼會有人反對愛因斯坦的相對論?
    愛因斯坦的相對論,以及根據相對論做出的很多推論和預言,都逐漸被人類證實。 所以,即便將來有了更新的理論,也頂多是對現有相對論的適用邊界的擴展,而不可能完全否定相對論。就像相對論讓人類認識到牛經典力學只能用於宏觀物體一樣,並不是否定了牛頓定律的正確性。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    才能明白為什麼愛因斯坦跟其他物理學家的思路不一樣,為什麼他會捷足先登創立狹義相對論。理解了愛因斯坦堅信不存在絕對運動,就很容易理解對於洛倫茲1895年的那篇論文,為什麼愛因斯坦一方面對洛倫茲在那些「技術上」的處理非常滿意,另一方面又對洛倫茲的靜止以假設非常排斥了。不存在絕對運動,也就是說只有兩個物體之間的相對運動才是實在的。
  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論
    我之所以反覆強調1895年這個時間點,是因為這是愛因斯坦在發表狹義相對論論文(1905年)之前所知道的洛倫茲的最新工作,洛倫茲在1895年之後的工作愛因斯坦通通不知道,包括1904年大名鼎鼎的洛倫茲變換。
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  • 相對論誕生:愛因斯坦是如何創立狹義相對論的?(下)
    理解了愛因斯坦堅信不存在絕對運動,就很容易理解對於洛倫茲1895年的那篇論文,為什麼愛因斯坦一方面對洛倫茲在那些「技術上」的處理非常滿意,另一方面又對洛倫茲的靜止以太假設非常排斥了。在這種環境下,愛因斯坦深入思考了一個非常有名的實驗,這個思考讓他徹底堅信電磁理論必須滿足相對性原理,也讓他發現了電和磁在新理論裡應該具有的地位。
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