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

发布者：军中无细盐 2023-5-24 08:46

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；


麦克斯韦统一了电和磁，预言了电磁波的存在，光是一种电磁波；


爱因斯坦统一时间和空间，质量和能量，并提出了全新的引力定律。


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。

阿尔伯特·爱因斯坦 相对论 欧几里得 2019未来科学大奖 物理 伽利略·伽利莱

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