爱因斯坦为什么会提出“光速不变原理”?解读狭义相对论前世今生
相对论的两条基本假设
我们现在都知道,爱因斯坦相对论的基石有两个分别是:
光速不变原理相对性原理其中,相对性原理其实是伽利略提出来的,因此,也被称为伽利略变换。
后来,牛顿发扬“拿来主义”,把这个原理纳入到了自己的力学体系当中,不过稍微做了一些调整。而“光速不变原理”则是爱因斯坦的原创。
其实,爱因斯坦创立相对论是有点复古的。为什么这么说呢?
如果我们回想一下初高中学过的平面几何证明,就会发现,相对论和这个平面几何很类似。平面几何也被我们称为欧几里得几何学。
这门学问是基于5条基本的公理,也可以称为公设。然后,一步步推导出整个理论体系。我们初高中学到的关于欧式几何的那些结论,其实都是从这五条公设推导而来。
科学家一直对于第五公设耿耿于怀。于是,就有人对这条公设下手了,然后得到了其他的几何学,比如:黎曼几何,就是一种曲面上的几何学,后来也被运用到了广义相对论当中。
爱因斯坦其实紧跟着欧几里得的脚步,也是利用两条基本假设,推导出了狭义相对论。因此,光速不变原理的重要性可见一斑。可是,提出光速不变原理的过程却是充满荆棘。
两大科学巨匠的冲突
光速不变原理的提出并不是一帆风顺。其实这来源于两大理论体系的矛盾。在理论物理学史上,有三位科学家是第一梯队的存在,这三位分为是牛顿、麦克斯韦和爱因斯坦。他们都凭借自己一人之力完成了一套理论体系的建构,分别是:
牛顿统一了天上和地上的物理学规律,提出了万有引力定律和牛顿三大定律;其中,牛顿的理论就和麦克斯韦的理论发生了冲突。这个冲突是什么呢?
具体来说是这样的,根据牛顿力学,我们知道,如果你在一辆汽车上沿着汽车运动的方向运动行走,这时如果有一个地面观测者,那他观测到你的速度就是:车速+你在车上行走的速度。
但是,如果现在条件换一换,你不走,而是拿了一个手电筒沿着车运动的方向照过去,那地面观测者看到的光的速度就是:车速+光速。
因此,按照牛顿力学,光速大小应该和参考系的选取有关。
可是,我们通过麦克斯韦方程进行推导,就会得到一个光速的表达式:光速c=1/ε0μ0。这里的两个符号分别是:
ε0:真空介电常数。μ0:真空磁导率。它们其实都是常数,这就意味着光速的表达式中没有变量,光速是一个固定值,不应该随着坐标系的变化而变化。两者也就出现了矛盾。
当年,牛顿之所以被学术界广泛认可,其中有一个关键的原因就是特别准。牛顿力学已经可以解释人们肉眼可见的各种物理学现象。甚至一些科学家可以直接利用万有引力定律,仅仅依靠纸和笔就预言海王星的存在。
同样的,麦克斯韦的理论同样是成就巨大,它可以解释几乎所有的电磁学现象,而且这个理论直接预言了电磁波的存在。后来,赫兹通过实验证明了这一点。马可尼还利用赫兹实验原理发明了无线电通讯技术。
因此,两个理论应该不会有什么错误,可是偏偏它们在“光速”上就出现了相互矛盾。
“以太”存在么?
当时许多科学家就想方设法去调和这个矛盾。当时,由于麦克斯韦方程的地位如日中天,所以当时的科学家认为:光是一种波,而不是粒子。而我们最常见的水波其实传播过程中是需要介质的,也就是水。
因此,有的科学家就认为光的传播也需要介质,这个介质被称为以太,光相对于以太是光速。但是这些纯粹只是猜想,而没有石锤。因此,就需要通过实验来证明。当时很多实验物理学家都想方设法证明以太。其中最有名的当属迈克尔孙莫雷实验。
可惜的是,无论他们如何努力都没有办法证明以太是存在的。当然,不仅是迈克尔孙莫雷实验,有一些比他们早或者比他们晚的科学家都进行了尝试,结果都以失败而告终。
物理学的危机和重生
在19世纪的最后一天,当时的著名科学家开尔文勋爵在公开演讲就提出,经典物理学上空有两朵乌云,一朵是黑体辐射,一朵是以太。也就是说,“以太”引发了物理学的危机。
于是,很多物理学家想了各种不同的办法,试图去调和这当中的矛盾,但这些尝试都不算成功。就在这个时候,有个年仅26岁的小伙叫做爱因斯坦,他提出了他的解决方案,他认为光速在任意的惯性坐标下都是不变,也就是光速不变原理。在这个基础上,加入伽利略变换,在1905年提出了狭义相对论。
也就是说,爱因斯坦其实是结合了麦克斯韦和牛顿理论体系中的一部分,以此为基础,建立起了相对论。起初,这个理论对于当时的物理学家来说太艰深,并没有引起太多注意。随着1919年,爱丁顿通过观测验证了广义相对论,才使得爱因斯坦一举成名。
随后,大量的物理学家加入到了验证广义相对论的队伍中,在随后的100多余年的发展中,相对论都被实验和观测所证实,成为了主流的物理学理论。
大家都在看
-
从狄拉克预言到反物质研究:科学探索的旅程 一、宇宙能源探索之路人类对能源的需求伴随着文明的发展不断增长。从最开始利用火与柴草,到工业革命时期的煤炭与蒸汽机、石油与内燃机,能源的变革推动着人类社会的进步。在化石能源 宇宙探索09-24
-
宇宙文明等级如何划分?人类是否是高级文明 在我们这个浩瀚无边的宇宙中,是否存在着远远超越我们的外星文明?上世纪60年代,前苏联著名天文学家尼古拉·卡尔达舍夫提出了根据能量利用来衡量宇宙文明发展水平的划分方法,奠定了 宇宙探索09-22
-
印度政府已批准4个大型太空项目:登陆金星 印度政府已批准4个大型太空项目:登陆金星,探索未知宇宙最近,印度政府的一项重大决定引发了全球的关注:他们已经批准了四个大型太空项目,其中最引人注目的就是计划登陆金星!这不 宇宙探索09-22
-
英媒:研究人员警告称,马斯克“星链”严重 古有星象观天象,今有星链扰科研。科研之窗被蔽,宇宙探索受阻,马斯克的宏图或成双刃剑。在浩瀚的宇宙探索舞台上,科学家与企业家马斯克及其SpaceX公司的“星链”计划,意外地成为了舞台 宇宙探索09-21
-
星际飞船,带你探索宇宙的奥秘。 在无垠的宇宙探索之旅中,星辰号如同孤勇者,穿越未知,寻找着那传说中的奇迹之地。今天,它将带领我们揭开一个古老星系的神秘面纱。船长杰克,这位经验丰富的领航者,他的每一个决定 宇宙探索09-21
-
揭秘宇宙,探索天文奇境 【探秘宇宙,解锁天文奇境 —— 与天文学专家共赴星辰之旅】在浩瀚的宇宙苍穹之下,每一颗星辰都承载着无尽的奥秘,每一片星云都诉说着宇宙的故事。为了引领您深入这神秘莫测的天文世 宇宙探索09-21
-
黑洞是什么?探索宇宙的神秘家伙 在浩瀚的宇宙中,黑洞无疑是最神秘、最引人入胜的天体之一。它们不仅挑战着我们对物理学的理解,还引发了无数关于宇宙本质的思考。那么,黑洞究竟是什么?它们是如何形成的?它们对宇 宇宙探索09-20
-
探索宇宙83-宇宙浩渺 地球之暖何以为继 那么我们的蓝色星球为什么会变暖 ?这是无缘无故吗 ?非也!我们所居住的地球可算是个大温室 ,因为靠近地表大气层中的二氧化碳就像温室中的玻璃和塑料薄膜 ,阳光可以射进 ,但热量 宇宙探索09-20
-
印度太空雄心曝光:金星登陆计划获批,还将 印度太空雄心曝光:金星登陆计划获批,还将开启哪些宇宙探索?飞天巨梦与现实考量:印度太空雄心的喜与忧一、月球,火星,下一个是金星?印度太空梦高歌猛进2024年9月19日,印度内阁 宇宙探索09-20
-
宇宙到底有没有颜色?为什么人眼看不到? # 宇宙中的天体到底有没有颜色?为什么人眼看不到?先说结论:很多天体其实是有颜色的,在光污染弱的地方其实能肉眼看到很多明亮的天体(比如 M42)。人眼看不到是因为:1. 有的天体本身 宇宙探索09-20
相关文章
- 探索宇宙83-宇宙浩渺 地球之暖何以为继
- 印度太空雄心曝光:金星登陆计划获批,还将
- 宇宙到底有没有颜色?为什么人眼看不到? #
- AI探索宇宙结构新突破!超精准场级模拟,半
- 探索宇宙81-宇宙之蓝 危在旦夕 守护臭氧层
- 在人类探索宇宙的漫长旅程中
- 探索宇宙的钥匙
- 神秘宇宙#探索宇宙
- 探索宇宙法则的博士研究》 摘要
- 多维宇宙揭秘:探索我们看不见的世界
- 人类认知宇宙的第一步:探索火星
- 揭秘宇宙奥秘:物质与能量的华丽交织,探索
- 智能化宇宙:人工智能与大数据的宇宙探索
- 进入黑洞的人去哪了 进入黑洞会永生吗
- 宇宙文明七个等级是什么 宇宙文明等级的划
- 宇宙:无限与界限的深邃探索
- 探索宇宙的奥秘:NASA最新发现揭示外星生命
- 探索宇宙:人类的伟大征程与深远意义
- 宇宙的探索乐章:山大ATLAS与希格斯粒子的
- 探寻神秘星空,揭开宇宙奥秘的奇幻之旅
热门阅读
-
离太阳最近的十大恒星排名,宇宙最大十大星 04-12
-
中国十大元帅之死,多高寿而善终(林彪叛逃 07-11
-
全球人口减少可能带来的六大教训和好处 07-18
-
预言2030年太阳将休眠,恐怖的千年极寒将来 07-11
-
中国空间站离地球有多少公里有多大,400公 08-06
-
因果报应真实事例,做尽坏事必遭天谴 07-11
-
中国“天宫”空间站将在2022年前后建成 呈T 03-29
-
连杀6童挖心炖汤,泰国食人魔被制成干尸示 07-21