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《柔软的宇宙 第7章 物理学的奇迹年》




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亿万先生 科普

更新时间:2017年8月08日

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    米涅娃回到了爱因斯坦身边,她一边带孩子一边操持家务,爱因斯坦的小屋开始变得干净整洁。爱因斯坦平时去专利局上班,办公室就在邮电大楼的四楼,视野十分开阔。好友贝索先生也来到了专利局工作,他们成了同事。爱因斯坦仍然喜欢业余时间与“奥林匹亚科学院”的成员碰头讨论科学问题,朋友们尊称爱因斯坦为“院长”,爱因斯坦也经常称呼另外一位成员哈比希特为“冷血的老鲸鱼”或者“干瘪的书虫”。索洛文和贝索先生也常来参加。小伙伴们相处得非常融洽,互相之间开开玩笑,偶尔恶作剧一下,也是很常见的事。

      那时候,他们讨论最多的还是马赫的《力学史评》。马赫是一位奥地利的物理学家,也是哲学家,他在科学方面最大的贡献是发现了“激波”。为了纪念马赫在空气动力学方面的贡献。大家把速度与当地音速之比称为“马赫数”。他在哲学方面的影响也非常大,马赫的哲学思想被称为“马赫主义”,影响了后来的维也纳学派。马赫对很多过去的物理学思想持怀疑态度,对牛顿的绝对空间与绝对时间观念就非常反对。

      牛顿拥有什么样的观点呢?牛顿认为是存在绝对空间和绝对时间的。“绝对”与“相对”是两个颇具哲学意义的词汇,时间就像一条河流,它均匀地流动着,永不停歇,不依赖外界事物。论语里面也有记载,子曾经曰过:“逝者如斯夫,不舍昼夜”,看来牛顿和孔老夫子想到一起去了。既然时间不依赖外界事物,那么无论是你的时间还是我的时间,都是一样的。空间也是一样,空间也与外界事物无关,一米的长度,无论是在我看来还是在你看来,都是一米,这有什么可奇怪的呢?在大部分人的脑子里,这简直是不言自明的真理,无论你走到天涯海角,一个小时就是一个小时,全宇宙处处相等,如果你发现有差错,那一定是你的表坏了。
     
      并不是所有人都同意牛顿牛老爵爷的意见,莱布尼茨就不同意。莱布尼茨说时间不过是一连串事件的罗列。你看到过时间吗?没有啊!你看到的只是运动。沙漏里面沙子漏下是运动,河水流动也是运动,我们都是用周期运动来计量时间的,钟摆是周期运动,心跳是周期运动,电磁振荡还是周期运动。这一切的一切,概莫能外,没人能直接看到时间,我们只能看到运动。时间就如沙漏里面的沙子,不过是发生了一连串的沙粒掉落事件而已。

      马赫敢于反对牛顿的思想,在当时很了不起,因为他居然敢说物理学祖师爷不对。他否定了牛顿的观点,认为一切都是相对的,直接反驳了牛顿为了证明绝对空间的“水桶实验”。爱因斯坦对马赫崇拜得五体投地,他觉得马赫说得太对了。

      奥林匹亚科学院不仅仅看马赫的书籍,还看庞加莱的书籍,庞加莱的《科学与假设》他们就热烈地讨论过。不过爱因斯坦后来不怎么提庞加莱,庞加莱也不提爱因斯坦,个中原委,恐怕只有他们自己知道。倒是奥林匹亚科学院的另外几个人都回忆说庞加莱的书他们曾经看过,而且讨论过。庞加莱就旗帜鲜明地支持相对性原理,也认为应该支持。小伙伴们都有疑问:到底运动学里的相对性原理,能不能在电磁学里适用呢?首先就要讲到参考系的问题。

      所谓“参考系”,就是“观察者参考系”的简称。以谁的角度来观察物理现象,从参考系概念,又引申出了“惯性参考系”概念。在牛顿看来,假如一个观察者是在做匀速直线运动,或者静止,那么他就是一个惯性参考系,简称惯性系。惯性参考系也可以用牛顿第一定律来描述,一个不受力的观察者,就是惯性参考系。

      伽利略在研究相对运动的时候,并没有这些名词概念。他只是坐到一艘全封闭的大船里,吩咐水手,开船的时候不要告诉他,船行驶要缓慢而且平稳,晃得太厉害就露馅儿了。实验的结果验证了伽利略的想法,他看不见窗外的景物,完全感觉不出船开着和停下有什么不一样,无论是测量钟摆,还是自由落体实验都没看出有什么不同(图7-1)。


      牛顿在伽利略的基础上提出,不看外界参照物的话,到底是在做匀速直线运动或者干脆是静止,根本没法分辨,做力学实验是分辨不出来的。不管你弄个摆锤测周期,还是弄个石头搞自由落体实验,最终的测量数据都一样。

      假设观察者A飘荡在太空里,不受任何力的作用,那么他就是一个惯性观察者。那A根本无法分辨自己是在动还是不动,他完全不知道自己所处的状态。A看到有个观察者B从旁边延直线匀速飞走,那么B也是惯性观察者。只是A与B不是同一个参考系,但A与B两个参考系的力学规律完全一样。假如两个观察者做相同的力学实验,结果也应该是相同的。你必须选定一个参考系,才能讨论物理现象。一个现象,在A看起来是这个样子,在另外一个观察者B看起来又是什么样子呢?两个参考系之间,能不能相互换算呢?
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