爱因斯坦传(全2册)沃尔特·艾萨克森,电子书,mobi,pdf,txt,epub,kindle,百度云全文阅读获得

原创 qiangshuai521  2019-09-21 20:02  阅读 73 views 次
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庞加莱在其《科学与假设》一书(也是奥林匹亚科学院最欣赏的著作之一)中,也曾指出过牛顿绝对时间概念的缺陷。他写道:“我们不仅无法直接观察到两个时间的相等,而且无法直接观察到在两个不同位置发生的事件的同时性。” [322]

于是,马赫和庞加莱似乎为爱因斯坦的伟大突破提供了一些基本思想。但爱因斯坦后来说,他更感谢从苏格兰哲学家休谟那里学到的关于心灵构造(区别于纯粹的事实观察)的怀疑论。

由于他在论文中多次使用思想实验,比如运动的火车和处于不同位置的钟表,因此我们会很自然地猜想,经过伯尔尼钟塔的火车以及站台上一排排已经校准的钟表有助于他展开想象和澄清思想。的确,据说他在与朋友们讨论他的新理论时,曾经用手指向(或至少是提到)伯尔尼已经校准的钟表以及附近的穆尼(Muni)村中遥遥可见的尖塔上未被校准的钟表。 [323]

在《爱因斯坦的钟表,庞加莱的地图》(Einstein’s Clocks,poincaré’s Maps)一书中,彼得·伽里森对当时的技术潮流进行了引人深思的考察。调节钟表在当时是一种风气。1890年,伯尔尼建立了一个由电信号校准的钟表所组成的城市时间网络。10年后,当爱因斯坦来到这里的时候,许多瑞士人都在研究如何使这些钟表走得更准,并且与其他城市的钟表同步。

此外,爱因斯坦在专利局的主要职责就是对电力设备做出评估,这其中包括用电信号来校准钟表的大量申请。伽里森指出,从1901年到1904年,伯尔尼就有28项这样的专利获得批准。

例如,其中有一个专利申请名为“安装中央钟表以同时指示不同地点的时间”。就在爱因斯坦与贝索进行那次重要谈话之前仅仅三周的4月25日,有一个类似的申请被送到了专利局,它涉及用电信号来校准两个带有电磁摆的钟表。这些申请的共同之处在于都使用了以光速传播的信号。 [324]

然而,我们不应过分强调专利局的技术背景所扮演的角色。尽管钟表是其理论描述的一部分,但爱因斯坦关注的却是相对运

动的观察者在用光信号校准钟表时所遇到的困难,而这并不是专利申请者们所考虑的问题。 [325]

不过,很有意思的是,爱因斯坦相对论论文的前两部分几乎都是在如数家珍地(与洛伦兹和麦克斯韦等人的风格极为不同)讨论他最熟悉的两项实用技术。他谈到了由线圈和磁体“同等的相对运动”所产生的“等量电流”,还谈到了用“光信号”来确保“两个钟表同步”。

正如爱因斯坦所说,他在专利局的日子“促使我认识到了理论概念的物理意义”。 [326]莫什科夫斯基在1921年根据与爱因斯坦的谈话写的一本书中指出,爱因斯坦相信“在专利局获得的知识与理论结果之间存在着一种确定的联系”。 [327]

《论动体的电动力学》

现在让我们看看在1905年6月30日那期《物理学纪事》的著名论文中,爱因斯坦是如何来澄清所有这一切的。这篇极为重要的论文或许是科学史上最有勇气、最赏心悦目的论文之一。它的主要思想都是通过语词和生动的思想实验来表达的,而不是凭借复杂的方程。虽然它的确涉及一些数学,但其主要内容一个优秀的高中生就能掌握。“这篇论文表明,震撼人心的深刻思想通过简洁的语言就可以表达出来。”科学作家奥弗比如是说。 [328]

这篇论文开篇讲了一种“非对称”现象,即磁体和线圈产生感生电流仅仅基于它们之间的相对运动,但是在法拉第之后,对于感生电流却有两种不同的理论解释,它们分别对应于磁体运动和线圈运动。 [329]“在这里,可观察的现象只同导体和磁体的相对运动有关,可是按照通常的看法,这两个物体之中,究竟是这个在运动,还是那个在运动,却是截然不同的两回事”。 [330]

这两者之间的区分乃是基于大多数科学家仍然秉持的一个信念,即存在着一种相对于以太的“静止”状态。但是磁体-线圈的例子以及任何对光的观测都暗示,“在力学和电动力学现象中并没有什么性质对应于绝对静止概念”。这促使爱因斯坦把相对性原理提升至“基本假设的地位”,认为在所有以恒定速度做相对运动的参照系中,力学定律和电动力学定律是一样的。

接着,爱因斯坦又提出了作为理论前提的另一个基本假设:

光速不会发生改变,“不论发射体的运动状态如何”。然后他笔尖一抖,随着看似漫不经心的“多余”一词跃然纸上,这位叛逆的专利审查员否定了通过两代人积累形成的科学教条:“引入‘光以太’将被证明是多余的,因为按照这里所要阐述的观点,并不需要一个‘绝对静止的空间’。”

运用这两条基本假设,爱因斯坦说明了他在同贝索谈话时所产生的概念飞跃。“在一个坐标系看来是同时的两个事件,在另一个相对于它运动的坐标系看来,就不再是同时的事件了。”换句话说,所谓的绝对同时性根本不存在。

爱因斯坦简明扼要地指出,时间本身只能通过同时发生的事件来定义,比如当火车到达时表针指向7。于是便会得出一个令人惊讶的结论:并不存在所谓的绝对同时性和绝对时间。正如他后来所指出的:“世界各地都不存在什么可以当作时间的嘀塔声。” [331]

不仅如此,这种认识还推翻了牛顿在《自然哲学的数学原理》开篇所做出的另一个假设。爱因斯坦表明,如果时间是相对的,那么空间和距离也是相对的。“如果车厢里的人在单位时间内走过距离w(从火车测量),那么这个距离(从站台测量)并不必然等于w。” [332]

爱因斯坦是这样解释的。设想一根相对于观察者静止不动的量杆。现在想象量杆运动起来,那么它的长度是多少呢?

要想确定这一点,一个办法是以同样的速度沿着量杆运动,并把尺子置于其上。然而那些不随它运动的人怎样来测量呢?

在这种情况下,可以通过两个已经校准的静止的钟表来测量运动量杆的长度,即确定量杆两端在某一特定时刻的精确位置,再用静止的尺子测量这两点之间的距离。爱因斯坦表明,这些方法将会产生不同结果。

为什么会这样?原因在于,两个静止的钟表已经由一个静止的观察者校准了,但与量杆运动得一样快的观察者却会以不同的方式校准它们,因为他对同时性有不同的理解。正如爱因斯坦所说:“与运动量杆一同运动的观察者会发现,两个钟表并不同步,而在静止系统中的观察者却会说,这两个钟表是同步的。”

狭义相对论的另一个推论是,站在站台上的人会发现,在一列高速行驶的火车上,时间流逝得更慢。想象火车上有这样一个“钟表”,它由车厢地板的镜子、天花板上的镜子以及在其间来回反射的光束所组成。在火车上的女士看来,光自始至终都在直上直下地运动。但在站台上的先生看来,从地板发出的光却是首先斜向上发射到天花板的镜子(它已经往前移动了一点)上,然后斜向下反射到地板的镜子(它也已经往前移动了一点)上。由于在两个观察者看来,光速是一样的(这是爱因斯坦的前提假设),所以在站台上的先生看来,光走过的距离要比火车上的女士看到的长一些。于是,站台上的先生会认为时间在运动的火车上流逝得较慢。 [333]

我们还可以用伽利略的船来解释这一点。想象一束光从桅杆顶部射向甲板。在船上的观察者看来,光束运动的距离精确等于桅杆长度。但陆地上的观察者却会认为,光束运动的距离是桅杆长度与船在这段时间(即光从桅杆顶端运动到桅杆底部的时间)内向前走过的距离(这是一条快船)的叠加。在两个观察者看来,光速都是一样的。陆地上的观察者发现,光在到达甲板之前又往前运动了。换句话说,同样的事件(从桅杆顶部发出的光束抵达甲板)从陆地上看要比从船上看花费更多的时间。 [334]

这一现象被称为时间延缓,由它会引出所谓的双生子佯谬。如果一个人站在站台上,而他的孪生妹妹乘坐宇宙飞船以接近光速的速度旅行很长一段距离,那么当她返回地球时,她将比哥哥年轻几岁。但是由于运动是相对的,这似乎提出了一个悖论:在宇宙飞船上的妹妹也许会认为,是地球上的哥哥在做飞速旅行,所以重逢时她会期待着看到哥哥年轻一些。

他们可能在重逢时分别比对方年轻么?当然不能。这个现象不可能同时出现于双方。因为宇宙飞船不是以恒定速度运行的,而是必须掉头才能回来。老得更慢的将是宇宙飞船上的人,而不是地球上的人。

时间延缓的现象已经得到实验证实,甚至用飞机上的特制钟表就可以验证。但是在我们的日常生活中,它不会造成什么影响,因为我们相对于其他观察者的速度从来也不可能接近光速。事实上,即使你整个一生都待在飞机上,你回来时也只能比你在地球上的孪生子年轻大概0.00005秒,而你在飞机上随便吃点东西,就已经抵消了这一效应。 [335]

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