相对论2:英雄与危机
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相对论2:英雄与危机

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物理学这个学科的一个特点是有太多的英雄人物。如果你不理解他们都干了什么,对物理学家保持不明觉厉、敬而远之的态度,你完全可以踏踏实实地过好这一生。可是如果你一旦真正理解了这些英雄做的事儿,你可能就再也不愿意老老实实地享受岁月静好了。你可能会“一见杨过误终生”。

在讲爱因斯坦的丰功伟业之前,咱们先说另外一个英雄,英国物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。麦克斯韦统一了电磁学。这个工作有多了不起呢?费曼是这么说的 ——

“从人类历史的长远观点来看……几乎无疑的是,麦克斯韦发现电动力学定律将被判定为19世纪最重要的事件。与这一重要科学事件相比,发生于同一个10年中的美国内战,将褪色而成为只有区域性的意义。”

麦克斯韦干的这件事,可以吹好几辈子。今天我把这个事儿给你讲一讲,我都感觉与有荣焉。你如果能把这个工作给听懂,你也会有一种自豪感。

这件事直接导致了爱因斯坦相对论的创立。整个过程好像是一个奇幻电影。一开始大家本来过着寻常的日子,突然就有人弄了个大事件。因为这个大事件,人们就意识到这个世界有点不太对。你抓住这一点点不对,仔细追究下去,你就打开一扇大门。这扇大门一打开,寻常的日子就不存在了,影片从此进入奇幻世界……然后你就期待续集吧。 咱们先从寻常的物理现象说起。

一点电磁学

我们在生活中能接触到的物理现象其实就那么几种。你搬运东西、测量一个什么运动的速度,那是力学;你能看到周围的事物,欣赏各种颜色,那是光学;你家里的一切家用电器,几乎都来自电磁学。

电磁学并不神秘。什么是电呢?电就是电荷之间的相互作用。电子带负电,离子带正电,电子跟离子之间就有一个吸引力,而两个电子或者两个离子之间就有一个排斥力,也就是同性相斥,异性相吸。

那什么是磁呢?磁来源于电,是电荷的运动产生磁。一段导体中有电流,它周围就会有磁性。像我们平时看到的磁铁,也无非就是其中原子排列的很整齐,每个原子周围电子的运动带来的磁力。 而如果用物理学家的眼光理解电磁现象,你必须得掌握一个概念,叫做“场”。

两个电荷之间发生吸引,请问这个吸引力是怎么感觉到的呢?难道一个电荷隔空就能感到另一个电荷的存在吗?这里边可没有什么“超距作用”。每个电荷都会在自己的周围形成一个“电场”,另一个电荷不是跟这个电荷直接发生相互作用,而是跟这个电荷的电场发生相互作用 ——

图中那些带箭头的曲线就是电场的形状和走向。类似地,磁力,其实也是以“磁场”的形式在周围空间存在 ——

确切地说,是所有的电场和磁场重叠在一起,形成一个总的电磁场,然后各个带电物质根据自己所在位置的电磁场来决定自己怎么运动。

电磁场可不是物理学家的想象,而是客观存在的东西,你完全可以用仪器探测出来。我记得爱因斯坦曾经有一句话说,“场,就好像我坐的这把椅子一样真实。”当然现在有些神神叨叨的人说气功高手能体察到“能量场”、名人的周围有“气场”,那些“场”就不是电磁场了。 好,现在麦克斯韦出场。

麦克斯韦的壮举

麦克斯韦之前的物理学家已经对电磁现象做过各种研究。特别是法拉第,在实验室里发现,变化的磁场能够带来一个电流,也就是说“磁能生电”。像这些电磁现象都很有意思,你完全可以编写一本书,列举科学家已有的电磁学知识 —— 但是这些知识有点杂乱无章,就好像一本写满了各地风土人情的菜谱。

麦克斯韦要做的事情,有点像是一位好学的武林高手,博采众家之长,融会贯通之后,创立了自己的武学。 这门学问不但是一统江湖,而且还推演出一些前人根本没想到过的新物理来。

1860年代初期,麦克斯韦提出一组总共四个方程,来描写所有的电磁现象。这就是著名的麦克斯韦方程组,它们写出来非常漂亮 ——

前三个方程分别说的是(1)电荷产生电场;(2)没有磁荷;(3)变化的磁场也能产生电场。第(4)个方程右边的第一项说的是电流产生磁场,所有这些都是当时已知的物理知识。

我们重点说说它的第二项。这一项就是麦克斯韦的独特发现。一方面,是麦克斯韦考虑电和磁之间应该有一个对偶的关系。那既然法拉第的实验证明变化的磁场能产生电场,变化的电场是不是也能产生磁场呢?另一方面,这一项也是让方程组在数学上自洽、让电荷数守恒的要求。这一项,就是说变化的电场也能产生磁场。

后来人们用实验证明麦克斯韦是对的。但是请注意,麦克斯韦这个发现纯粹是理论推导出来的!这就好比说一个侦探,听取了各方的信息之后突然就推断出来一个人们意想不到的结论。而麦克斯韦用的仅仅是数学。 好,现在麦克斯韦知道 ——

*变化的磁场能产生电场 *变化的电场又能产生磁场

那首先你就能看出来,电和磁其实在某种程度上是“一回事儿”,电场和磁场可以互相产生,就算没有电荷,用磁场也能产生电场。

但麦克斯韦紧接着想到,如果我用线圈弄一个震荡的电流,产生一个周期变化的磁场,那么这个周期变化磁场就能产生一个周期变化的电场,而这个周期变化的电场又能产生新的周期变化的磁场……以此类推,岂不是说这个电磁场可以一直传播下去吗?

这就是电磁波!二十多年以后人们真的在实验中制造了电磁波,给后世生活带来巨大的影响,不过麦克斯韦在意的不是电磁波的实用价值。

麦克斯韦可以用他的方程组直接计算这个电磁波的传播速度。他算出来电磁波速度,发现跟光速,它们的数值是一样的!

光是有速度的。你打开一盏灯,光线不会瞬间传播到宇宙的另一头去。当时的人已经在实验中测量了光速。而且早在1801年人们就已经知道光是一种波。但是人们并不知道光到底是怎么回事。

而现在麦克斯韦计算得出的电磁波的速度正好是光速,于是麦克斯韦大胆宣称,光,其实就是电磁波。后来人们证实果然是这样,我们平时所见的可见光无非就是特定频率的电磁波而已。

这是物理学家再一次看破了红尘。天上的东西和地上是一回事儿,匀速直线运动和静止是一回事,电和磁是一回事儿,而现在麦克斯韦说,光跟电磁场,其实也是一回事儿。

这么一来,物理学的逻辑结构就变得更简单了。牛顿力学加上麦克斯韦电磁学,身边的一切物理现象等于是都被理解了。这绝对是英雄的壮举。

但是这个成就里边有一个危机。

危机

咱们先捋一捋麦克斯韦的发现 ——

1.他用四个方程概括了所有电磁现象; 2.他发现变化的电磁场可以互相产生,从而推导出电磁波; 3.他计算出电磁波的速度正好是光速,从而说明光其实就是电磁波。 现在我们知道了,光速,是电磁现象所要求的结果,是可以用数学计算出来的。 那好。请问,你麦克斯韦计算出来的这个光速,是相对于谁的呢? 从逻辑角度,你不能脱离坐标系(或者叫“参照系”)谈速度。

比如说,你站在一艘快速行驶的船上,船的速度是每小时50公里。你在船上射出去一支箭,你平时射箭的速度是每小时100公里,那这个“每小时100公里”就是相对于船上的你来说的。

而相对于站在岸边的我来说,箭的速度就应该是每小时 50+100 = 150公里,对吧?速度都是相对的。 那麦克斯韦方程组解出来的光速是相对于谁呢?这个问题可以有两种答案。 老百姓的直觉是,光速肯定是相对于光源的。你打开手电筒射出去一束光,那这个光速肯定是相对于手电筒啊 —— 但是这个说法很快就被物理学家给否定了。

宇宙中有一种“双星系统”,就是两个临近的恒星互相绕着对方旋转,谁也离不开谁。从我们这里观察,就总有一颗恒星在向着我们运动,另外一个恒星向着我们相反的方向运动 ——

如果光速是相对于光源的速度,那么向我们走的这个恒星的光速就应该更快一点,离我们而去的恒星的光速应该更慢一点 ——

这个速度差异并不大,但是因为双星距离我们十分遥远,星光到达我们需要的时间就很长,这一点点速度差异就足以让我们观察到两颗星的星光有一个延迟。

可是天文学家观测了各种双星系统,从来都没有看到任何延迟。两个恒星的光速始终都是一样的! 这说明光速跟光源的速度无关。物理学家对此并不感到惊讶,因为电磁波本来就是脱离最早产生它的电荷和电流而独立存在。波,毕竟不是射出去的箭。

物理学家设想,光其实是遍布宇宙空间的某种介质的波动,而光速就是相对于这个介质的速度……可是当时的人万万没想到,这个解释的问题更大。 咱们下一讲再说。

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