提到相对论,几乎无人不知无人不晓。你可以不了解相对论到底是一个什么样的理论,但你肯定听说过相对论。
但如果你真的详细了解了相对论诞生的前世今生,就会明白,在爱因斯坦提出狭义相对论之前,其实有好几个物理学界的大佬已经触摸到了狭义相对论的精髓了,比如说庞加莱,洛伦兹等人。
可以说,即使没有爱因斯坦,洛伦兹等人也会很快提出狭义相对论。甚至科学界有些科学家认为就是洛伦兹提出的狭义相对论,虽然这种观点不被大众认可,但可以看出洛伦兹距离狭义相对论有多近!
而且,在爱因斯坦的狭义相对论中,洛伦兹变换被引入,作为一个非常很重要的方程。
下面一起简单回顾下洛伦兹与狭义相对论的“恩恩怨怨”。
其实,与爱因斯坦一样,洛伦兹也发现了牛顿经典理论与麦克斯韦方程组之间的矛盾,主要矛盾就是麦克斯韦方程组中推导出来的“光速不需要参照系”(也就是后来的“光速不变原理”),而牛顿经典力学强调任何速度都需要有参照系才有意义。
而“以太”的概念是最好的调和者。不过“以太”概念的提出非但没有成功调和牛顿力学与麦克斯韦方程组,反而在后来带来越来越多的麻烦。况且之后的迈克尔逊莫雷实验也证明了以太是不存在的。
如此一来,牛顿力学与麦克斯韦方程组就没有任何调和的余地了:两者其中之一必然有一个是错误的。
但牛顿经典力学的统治力在当时的物理学界实在太强悍了,在物理学界大佬的心里面是不可动摇的。于是洛伦兹开始“变着法”地协调牛顿力学与麦克斯韦方程组,他把光看做在静止的以太中传播的一种特殊情况,如果再遇到问题解决问题就好了。
后来也真的遇到不少问题,最大的问题就是相对速度问题。在牛顿力学绝对时空观中,两个速度可以直接叠加,比如说你我分别以5米每秒的速度反向奔跑,我们的相对速度就是10米每秒。
但是一旦速度达到亚光速,比如说你我的速度达到0.6倍光速,那么按照伽利略变化,我们之前的相对速度就应该是1.2倍光速,已经超过了光速。但麦克斯韦电磁理论表明光速是宇宙最快的速度,而且光速是不变的。
为了调和这种矛盾,洛伦兹给出了这样的解释:物体在高速运动中长度(空间)会缩短(其实就是尺缩效应),从而避免了相对速度超越光速,同时还提出了著名的洛伦兹变换:
自始至终,洛伦兹都不愿意放弃“以太”的概念,都在试图调和牛顿力学与麦克斯韦方程组之间的矛盾而努力。如果洛伦兹早点放弃以太的概念,他将代替爱因斯坦首次提出狭义相对论。
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