“相对论”三个字,毫不客气地说早就“烂大街”了!可能你并不太明白相对论到底讲了些什么东西,但肯定听说过。

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而提出相对论的爱因斯坦,也早已脱离了“名字”的范畴,成为了“智慧”的代名词。人们经常用“某个领域的爱因斯坦”来形容一个人的智慧和伟大。

爱因斯坦早已经与相对论“画上了等号”,提到爱因斯坦,大家就会联想到相对论。反之,提到相对论,人们也自然会想到爱因斯坦。

爱因斯坦确实很伟大,这是毋容置疑的,他的伟大其实并不仅仅是因为相对论。事实上,爱因斯坦拿到诺贝尔物理学奖并不是因为相对论,而是因为他发现了光电效应。同时,爱因斯坦也是量子力学的奠基人之一

不过,很多人并不知道,在爱因斯坦提出狭义相对论之前,其实当时的物理学界大佬中,已经有人无限接近狭义相对论了,只差最后一层“窗户纸”没有捅破,最终遗憾地与狭义相对论失之交臂。

洛伦兹就是其中之一。到底怎么回事呢?让我们一起穿越到一百多年前的物理学时代,简单了解一下狭义相对论的前世今生,以及洛伦兹到底是如何错失狭义相对论的。

很多人都知道,19世纪末的物理学界一度自认为进入了“盛世”时代,当时的物理学界大佬信心满满,一致认为物理学大厦已经初步建设完成。

在他们眼里,牛顿经典力学几乎能“上天入地”,很好诠释了宇宙万物的运动规律,同时麦克斯韦电磁理论统一了电和磁。于是当时的物理学界认为物理学已经不会有什么大的发展了,在以牛顿经典力学和麦克斯韦电磁理论为基础构建的“物理学大厦”上,只需要进行小修小补就可以了。

不料“天有不测风云”,而当时的物理学天空中也漂浮着“两朵乌云”,其中一朵就是“迈克尔逊莫雷实验”。

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说到这里,相信大家应该明白了吧。没错,正是“迈克尔逊莫雷实验”的结果,让当时的物理学家大佬“很是不爽”,因为该实验结果表明:绝对参照系“以太”并不存在

“以太”是什么东西?这个说来话长了,简单来讲就是为了调和“牛顿经典力学与麦克斯韦方程组”之间矛盾的假设概念。

那么,两者有什么矛盾呢?

在牛顿经典力学体系下,时间和空间都是绝对的,也就是“绝对时空观”。在绝对时空观下,任何物体的运动速度都是相对的,都需要有参照系才有意义。

这很好理解,也非常符合我们的日常生活认知和经验。我们的传统观念里,速度当然一定要有参照系,不然就没有任何意义。而我们平时所讲的速度基本上都是默认地面为参照系,既然是默认,也没必要再次强调。

但是麦克斯韦方程组可以推导出光速在真空中的传播速度,这本来没有什么,就是一个简单的公式。

但这个公式一点也不简单,乍一看,公式本身并没有特殊的地方。但仔细观察你会发现,公式中并没有涉及任何参照系。

光也就是电磁波在真空中的速度只与真空的介电常数和磁导率有关,也就是与介质(真空)本身有关,但这个速度的参照系在哪里呢?

刚才说了,任何物体的运动速度都必须有参照系才有意义,为什么电磁波的速度计算公式中没有任何参照系呢?这是不是意味着光速(电磁波速度)是绝对的,根本不需要参照系?或者说光速在任何参照系下观察都保持不变呢?

如果找不到真空中光速的参照系,很显然,就意味着光速真的是绝对的。当然,当时的物理学界不可能允许这种事情发生,因为如果光速是绝对的,就意味着统治物理学界几百年历史的牛顿经典力学轰然倒塌,这对于早就奉“牛顿经典力学”为“神明”的物理学界大佬来讲,显然是无法接受的。

但麦克斯韦同样伟大,他提出的麦克斯韦方程组甚至堪称人类历史上最优美的方程,更何况麦克斯韦还统一了电和磁。无论是牛顿,还是麦克斯韦,当时的物理学界大佬都不敢得罪。

怎么办?

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物理学界大佬开始寻找一种“中庸”的方式进行“左右逢源”,想找到一个既满足牛顿经典力学,又不得罪麦克斯韦方程组的方法,而“以太”的概念就是这种背景下的产物

以太,是物理学家们假设的概念,是宇宙中的绝对参照系,相对宇宙空间绝对静止。这就意味着以太是宇宙空间里万物的参照系,当然也是光的参照系。光速正是光相对以太的速度。

如果以太这种东西真的存在,那么问题自然就得到解决了。所以物理学界要做的就是寻找以太存在的证据,毕竟以太的概念本来就是假设的,科学就是大胆假设,然后小心求证。

迈克尔逊莫雷实验就是在这种背景下进行的。

不过这个实验不做不要紧,做了实验之后,结果让物理学界更加摸不着头脑:实验结果表明,以太压根就不存在。事实上,很多物理学界大佬都做了类似的实验,但结果都表明:以太并不存在。

怎么办?

如今到了抉择的时刻:如果以太不存在,物理学界必须接受牛顿经典力学的轰然倒塌,起码是不完善的。而这恰恰是他们无论如何都难以接受的。

就在这个关键时刻,物理学界大佬洛伦兹站了出来,提出了著名的洛伦兹变换,这个变换的具体推导过程有些复杂,这里就不再详述了。

洛伦兹为什么要提出洛伦兹变换呢?主要目的就是为了诠释迈克尔逊莫雷,说白了还是寻找以太存在的证据。按照洛伦兹变换,洛伦兹认为以太会在物体运动方向上收缩变短,就会造成无论是逆着以太还是顺着以太,测量到的光速都是一样的。

也就是说,当时的洛伦兹并没有用“光速不变”诠释迈克尔逊莫雷,而是用“以太在运动方向上的收缩”来诠释。在此基础上,洛伦兹也提出了著名的洛伦兹变换,后来爱因斯坦也把洛伦兹变换作为相对论的基本公式之一,在亚光速情况下,用洛伦兹变换代替伽利略变换。

与洛伦兹不同的是,爱因斯坦并没有坚守“以太”的概念,而是用“奥卡姆剃刀”完全抛弃了以太,认为光速就是不变的,提出了光速不变原理,再加上狭义相对性原理,在这两大原理的基础上,最终提出了狭义相对论。

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仔细想想,洛伦兹与爱因斯坦对光速的理解本质上并没有什么不同,更多的是对概念定义的理解。洛伦兹认为以太是光速的参照系,而以太相对宇宙空间绝对静止,实际上这样的以太不就相当于空间本身吗?

而爱因斯坦认为光速在任何参照系下都保持不变,真空中的光速是绝对的,往深了理解就是:光速其实是有参照系的,只是光速的参照系不是我们平时看到的任何物质,而是空间(或者时空)本身,也就是说,光速的背景是四维时空

也就是说,只要把“以太”这种假设的概念理解为空间本身,实际上洛伦兹与爱因斯坦的诠释并没有什么大的区别。

洛伦兹认为以太在物体运动的方向是会收缩,而爱因斯坦认为空间在物体运动的方向会收缩,这就是尺缩效应

能够看出,洛伦兹与爱因斯坦的诠释其实就在于对“以太”的定义上。只是爱因斯坦秉承着“如无必要勿增实体”的简单原则,提出以太根本没有存在的必要,用一种更简洁的诠释方案,大胆提出光速不变原理,彻底否定了牛顿的绝对时空观。

而洛伦兹的思维显然没有那么大胆,一直抱着牛顿的“绝对时空观”不放,结果与近在咫尺的狭义相对论失之交臂。

实际上,在相当长的一段时间里,物理学界甚至也有人认为是洛伦兹首次提出了狭义相对论,虽然持有这种观点的人并不多,但也能说明当年的洛伦兹有多么接近狭义相对论。

爱因斯坦把洛伦兹变换作为狭义相对论的基本公式之一,也再次表明了洛伦兹的才华。有时候就是这样,距离成功就差一步之遥,事后才知道只要再迈出去一步就会成功,但不知道为何这一步为何如此之难!

甚至到了今天,仍旧有不少人认为所谓的“以太”就是宇宙空间,只是当时的物理学家大佬换了一种定义罢了。其实说到底,还是“绝对时空观”束缚住了当时的物理学界思维!

而爱因斯坦与众人不同的是,他能够摆脱“绝对时空观”的束缚,从而“破茧成蝶”,最终成为最耀眼的明星。

当然,洛伦兹本人其实也足够伟大了,即便是没有爱因斯坦,也会有其他人站出来很快提出狭义相对论,而这个人很可能就是洛伦兹,当然也可能是其他人,比如说庞加莱等。

完!