今年是愛因斯坦逝世50周年,也是狹義相對(duì)論發(fā)表100周年。愛因斯坦在科學(xué)上的貢獻(xiàn)是世人皆知的。相對(duì)論的發(fā)表標(biāo)志著科學(xué)發(fā)展的一個(gè)新紀(jì)元。但是科學(xué)的發(fā)展是眾多科學(xué)家探索的結(jié)果,同樣,愛因斯坦的成就也是建立在前人研究成果之上的。那么,誰對(duì)愛因斯坦有過重大影響呢?伽利略的相對(duì)性原理,馬赫的一切運(yùn)動(dòng)都是相對(duì)的理論,對(duì)愛因斯坦建立相對(duì)論都起到過很大的作用。還有兩個(gè)人的貢獻(xiàn)也是不可磨滅的。一個(gè)是洛侖茲,一個(gè)是邁克爾遜。但是這兩個(gè)人不僅沒有創(chuàng)立相對(duì)論,而且直到去世也不認(rèn)可相對(duì)論。
亨德里克·安東·洛侖茲 (HendrikAntoonLorentz)荷蘭物理學(xué)家,1853年7月18日生于荷蘭阿納姆。1902年由于研究磁場對(duì)光的塞曼效應(yīng)而獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
洛侖茲的主要工作是在光學(xué)和電磁理論方面。他創(chuàng)立了經(jīng)典電子論,在研究電子在磁場中受力的情況時(shí),發(fā)現(xiàn)了被后人稱之為“洛侖茲力”的力,使電磁學(xué)的研究大大地向前跨了一步。洛侖茲在熱力學(xué)、地心引力、放射化學(xué)及動(dòng)力學(xué)上也都有所發(fā)現(xiàn),有所創(chuàng)造。
特別值得一提的是他還是相對(duì)論的先驅(qū)者。他提出了任何運(yùn)動(dòng)著的物體在其運(yùn)動(dòng)方向上,都會(huì)出現(xiàn)縮短現(xiàn)象,并導(dǎo)出了計(jì)算公式。這就是現(xiàn)在常用的“洛侖茲變換”。這是狹義相對(duì)論中的一個(gè)重要公式。從某種意義上來說,洛侖茲已經(jīng)走進(jìn)了相對(duì)論的大門,如果他能夠改變傳統(tǒng)的觀念,很可能他會(huì)成為相對(duì)論的發(fā)現(xiàn)者。這一步對(duì)于洛侖茲來說是太難了。由于他所受的教育,與舊的傳統(tǒng)的物理學(xué)概念有千絲萬縷的聯(lián)系,所以很難完全擺脫傳統(tǒng)觀念的影響。對(duì)于世紀(jì)之交接二連三的出現(xiàn)的新發(fā)現(xiàn),他很難理解。洛侖茲是一個(gè)牛頓思想的繼承者,他推導(dǎo)“洛侖茲變換”是想把新發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象納入牛頓理論體系借以為保持舊的時(shí)空觀念和經(jīng)典物理學(xué)理論框架。因此洛侖茲感到非??鄲溃环矫?,他已經(jīng)看到了新時(shí)代的曙光,另一方面,他又認(rèn)為很多人提出的主張完全與過去的相反,這樣一來就無所謂真理的標(biāo)準(zhǔn)了。他甚至后悔自己沒有在這些矛盾出現(xiàn)前5年死去。
洛侖茲一生的許多時(shí)間都花在認(rèn)真檢驗(yàn)別人的理論并幫助他們尋求簡單原理上,由于他平易近人,不務(wù)虛名,從來不以學(xué)者權(quán)威自居,對(duì)各種新思想都能包容,很多當(dāng)時(shí)的著名的科學(xué)家像愛因斯坦、薛定諤經(jīng)常征詢他的意見,并希望得到他的支持。
洛侖茲雖然對(duì)愛因斯坦的工作表示贊賞和尊重,但他自己卻一直堅(jiān)持以太、絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的概念,直到1928年還表示對(duì)光學(xué)現(xiàn)象沒有以太作載體不完全理解。
科學(xué)發(fā)展的速度之快使很多人趕不上時(shí)代的步伐,即使是像洛侖茲這樣的偉大的科學(xué)家也不例外,他也有跟不上的時(shí)候。洛侖茲于 1928年2月4日去世。愛因斯坦也在他的墓旁致了悼詞。
愛因斯坦卻從洛侖茲科學(xué)研究的成果中獲得了啟示。愛因斯坦曾經(jīng)說過,在他的一生中,洛侖茲給他的影響最大,他稱洛侖茲是“我們時(shí)代最偉大、最尊貴的人。”
另一個(gè)對(duì)相對(duì)論有重大影響的人是邁克爾遜。
阿爾伯特·亞伯拉罕·邁克爾遜 (AlbeaAbrahamMichelson)德裔美國物理學(xué)家,1852年12月19日生于普魯士的斯特勒爾諾市,該市現(xiàn)今屬波蘭,當(dāng)時(shí)屬于德國。因創(chuàng)制精密的光學(xué)儀器和應(yīng)用這些儀器進(jìn)行的光譜學(xué)和計(jì)量學(xué)研究并精確測出光速獲得1907年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。
幼年的邁克爾遜家境貧窮,2歲時(shí),經(jīng)商的父親陷入困境,一家人的生活成了問題。全家從德國的漢堡乘船去美國。邁克爾遜童年生活顛沛流離,家境貧困,養(yǎng)成了堅(jiān)忍不拔,勇于克服困難的堅(jiān)強(qiáng)性格。
邁克爾遜在舊金山上中學(xué)時(shí),住在中學(xué)校長西奧多·布雷德利家里。邁克爾遜勤奮好學(xué),特別是在制作方面有非凡的才能,使校長布雷德利非常欣賞。校長鼓勵(lì)他好好求學(xué),并派他管理學(xué)校的科學(xué)儀器,使得他可以經(jīng)常擺弄儀器,為日后巧妙地設(shè)計(jì)和制造儀器奠定了基礎(chǔ)。在中學(xué)里,邁克爾遜通過自己的努力很快就成為公認(rèn)的“有出息的孩子”。
大學(xué)畢業(yè)后,邁克爾遜先后到柏林、海德堡、巴黎等著名大學(xué)留學(xué)。在歐洲留學(xué)期間創(chuàng)造出一種可以測定微小長度折射率和光波波長的干涉儀。從此之后,邁克爾遜主要工作就是設(shè)計(jì)儀器和用儀器測量。設(shè)計(jì)和測量成了邁克爾遜的“癖好”,他至少設(shè)計(jì)出25臺(tái)不同精度的干涉儀。
19世紀(jì)末,當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家中很多人都認(rèn)為光的傳播需要介質(zhì),這種介質(zhì)就是“以太”?!耙蕴睙o孔不入,無處不在,彌漫于所有星際空間。因此,很多物理學(xué)家都在用各種方法尋找“以太”。
邁克爾遜是一個(gè)相信“以太”存在的人,他用自己設(shè)計(jì)的一種叫做“干涉折射鏡”的儀器去證實(shí)“以太”的存在。實(shí)驗(yàn)原理是麥克斯韋1879年去世前提出的;但實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明“以太”根本就不存在。
深信“以太”存在的邁克爾遜認(rèn)為這次實(shí)驗(yàn)是令人沮喪的失敗。他認(rèn)為實(shí)驗(yàn)不夠精確,于是經(jīng)過一番準(zhǔn)備之后,他與美國物理學(xué)家莫雷合作重新做了測定“以太”的實(shí)驗(yàn)。為了減少震動(dòng)的影響,提高測量精度,把儀器安裝在石頭平臺(tái)上,讓石頭平臺(tái)又浮在水銀里,使它能幾乎無摩擦地自由轉(zhuǎn)動(dòng)??傊扇×瞬簧儆行У拇胧?,以保證測量精度。但是結(jié)果仍然是否定“以太”的存在。盡管邁克爾遜不愿接受這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,還是真實(shí)地宣布了這個(gè)結(jié)果。他無可奈何地說:“以太也許根本就不存在吧?!?/p>
邁克爾遜曾在加州兩座相距約70千米的威爾遜山和圣安東尼奧山的兩個(gè)山峰之間測量光速,測得的光速為299796±4,千米/秒,這是一個(gè)相當(dāng)精確的數(shù)據(jù)。
當(dāng)有人問起這次測量的目的和意義時(shí),他哈哈大笑:“真正的理由是這個(gè)測量太有趣了。”邁克爾遜熱愛科學(xué),但他深信“以太”的存在,使他深深地陷入矛盾之中,他只能在研究過程中尋求快樂。
晚年的邁克爾遜仍然被“以太”擾得心煩意亂,在他逝世前不久,愛因斯坦拜訪他時(shí),邁克爾遜的夫人事先告訴愛因斯坦在談話中不要提及“以太”。
愛因斯坦是這樣評(píng)價(jià)邁克爾遜的:“邁克爾遜是科學(xué)界中的藝術(shù)家,他最大的樂趣似乎來自實(shí)驗(yàn)本身的美和所有方法的精湛。他從來不認(rèn)為自己在科學(xué)上是嚴(yán)格意義上的專家,事實(shí)上的確如此,但他始終是個(gè)藝術(shù)家。”邁克爾遜通過實(shí)驗(yàn)否定以太的存在,以及他對(duì)光速的準(zhǔn)確測量,對(duì)相對(duì)論的建立做出了很大貢獻(xiàn)。因?yàn)橐蕴拇嬖谑古nD的絕對(duì)時(shí)空有了一種好的表現(xiàn)形式,當(dāng)時(shí)認(rèn)為,以太是絕對(duì)靜止的,它正好充當(dāng)絕對(duì)空間的物質(zhì)背景,這樣人們就可以通過以太把所有的運(yùn)動(dòng)聯(lián)系在一起,它們發(fā)生的時(shí)間順序也可以排列出來。以太成了牛頓絕對(duì)時(shí)空的支柱,以太不存在,牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀,就處于危險(xiǎn)的境地。
但是邁克爾遜在1927年的最后一本書里仍然表示懷疑相對(duì)論,那時(shí)相對(duì)論已被很多人接受。邁克爾遜曾親自對(duì)愛因斯坦說,他想不到自己的工作竟會(huì)引出相對(duì)論這個(gè)“怪物”,對(duì)此他感到懊喪。
正當(dāng)兩位物理學(xué)大師徘徊不前的時(shí)候,法國數(shù)學(xué)家和物理學(xué)家彭加勒做出了很有遠(yuǎn)見的論斷,他認(rèn)為以太可能不存在,他預(yù)言:也許會(huì)建立一個(gè)全新的力學(xué),在這個(gè)全新的力學(xué)中慣性隨速度而增加,光速成為不可逾越的極限。彭加勒走得很遠(yuǎn),在某些方面比愛因斯坦還要遠(yuǎn),但是愛因斯坦還是走到了他的前面。
這時(shí)相對(duì)論已經(jīng)走到了成熟的階段。正如愛因斯坦在一封信中所說:“毫無疑問,要是我們從回顧中去看狹義相對(duì)論的發(fā)展的話,那么它在1905年已到了發(fā)展成熟的階段。洛侖茲已經(jīng)注意到,為了分析麥克斯韋方程,那些后來以他的名字而聞名的變換是重要的;彭加勒在有關(guān)方面甚至更加深入了一步?!?/p>
1905年,愛因斯坦發(fā)表了狹義相對(duì)論。1916年又發(fā)表了廣義相對(duì)論。
相對(duì)論剛發(fā)表的時(shí)候,許多物理學(xué)家都不能理解,有的甚至認(rèn)為這是拼拼湊湊的數(shù)學(xué)游戲,不屑一顧。著名的物理學(xué)家朗之萬估計(jì),那時(shí)全世界只有12個(gè)人懂相對(duì)論。1921年愛因斯坦獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),但是在論及到愛因斯坦獲獎(jiǎng)的原因還是說:“他在物理學(xué)上的研究,特別是發(fā)現(xiàn)了光電效應(yīng)的定律?!敝Z貝爾委員會(huì)一再申明,獲獎(jiǎng)與相對(duì)論無關(guān)??梢娨环N新觀念的確立是多么困難。隨著時(shí)間的推移,相對(duì)論的意義逐漸為世人理解。愛因斯坦也成了20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家。