狹義相對論的奠基人,他差一點早於愛因斯坦提出狹義相對論

提到相對論,可謂家喻戶曉。並不是所有人都理解相對論,但肯定都聽說過。而同樣家喻戶曉的還有大名鼎鼎的愛因斯坦,他甚至早已成爲智慧的“化身”,成爲高智商的代名詞。

但是知道這個人的並不多:洛倫茲。或許只是熱愛物理學或者學過高中物理的夥伴們才聽說過這個名字。實際上,洛倫茲差一點就早於愛因斯坦提出狹義相對論,當時的他已經無限接近相對論了,只可惜就差“最後一層窗戶紙”沒有捅破,最終與狹義相對論失之交臂。

打個比方,洛倫茲就像一個可愛的大男孩,而狹義相對論就像一個漂亮的女孩,兩人一見鍾情,彼此都知道對方很喜歡自己,但這個男孩子並沒有直接說出“我喜歡你”之類的話來確定關係,以至於兩個年輕人之間那層“窗戶紙”一直沒有捅破!

這也是爲什麼有一部分學者認爲,是洛倫茲提出的狹義相對論,只是他沒有明確提出這個概念而已。

那麼,具體是怎麼回事呢?爲什麼會有學者認爲是洛倫茲提出的狹義相對論呢?下面具體講述一下洛倫茲,愛因斯坦以及狹義相對論之間的“愛恨情仇”。

洛倫茲雖然沒有愛因斯坦那麼出名,但同樣是偉大的物理學家,洛倫茲力很多人都聽說過吧,就是帶電粒子在磁場中受到的力,就是以洛倫茲的名字命名的。

洛倫茲的童年很悲慘,在他8歲時母親就去世了,好在他的繼母對待洛倫茲很好,幫助他走出了童年的陰影。

洛倫茲從小就對物理學產生了濃厚的興趣,在進修研究生和博士期間也主要研究光學的相關問題。

當時的洛倫茲處於一個物理學變革的重要時期,牛頓力學一直統治着物理學界,固若金湯,早就被視爲神明。同時麥克斯韋提出的電磁理論橫空出世,對物理學界的影響力絲毫不亞於牛頓力學。

不過兩個偉大的理論對於世界的認知出現了根本性的矛盾,顯得有些格格不入,主要體現在對光速的理解層面。

麥克斯韋方程組推導出來的光速公式表明,光速在真空中的速度是不變的,這裡的“不變”不是指“每秒30萬公里”不變,而是光速與任何速度疊加之後仍舊保持不變。

光速不變與牛頓力學發生了矛盾,而洛倫茲要做的就是努力協調兩者之間的矛盾。一開始物理學界大佬提出了以太的概念,假設以太是絕對靜止參照系,也是光速的參照系,但之後的邁克爾遜莫雷實驗表明,以太並不存在。

如果以太果真不存在,就意味着光速真的是不變的,結果就是牛頓力學錯了。保羅洛倫茲在內的物理學界大佬們當然不可能接受這樣的結果。於是洛倫茲提出了這樣的設想:把真空中的光速視作光在以太中傳播的特殊情況,只要對光速不變稍作改變,兩者就不會出現矛盾了,牛頓力學體系仍舊是完美的,也不會與麥克斯韋電磁理論發生衝突。

洛倫茲認爲以太在運動的方向上會收縮,從而導致了光速不變,並不是說光速真的不變,只是以太收縮的表現形式。

具體來講,洛倫茲是這樣思考的。

在牛頓力學體系中,萬物的運動必須有一個參照系,否則就沒有意義。也就是說,在我們說“某個物體是運動還是靜止的”時,必須有“參照系”這個前提作爲基礎。

這樣的例子在我們日常生活中比比皆是。比如說你和朋友駕車出行,時速爲100公里,在你朋友眼裡,你是靜止的。但在路人眼裡,你的速度很快。這就是參照系的選擇不同造成的不同結果。

參照系又可以分爲慣性參照系和非慣性參照系。何爲慣性參照系?顧名思義,就是依靠慣性來運動的物體所在的參照系,說白了就是靜止或者勻速直線運動。

明白了參照系的定義,下面我們繼續舉例一點點深入講述。

假設交警在高速公路上發現了一輛小汽車超速了,開始追趕那輛小汽車。由於高速公路限速120公里,警車的速度始終保持在時速120公里,但超速的小汽車速度已經達到了時速160公里。

那麼,兩輛汽車的速度差就是時速40公里,小學生都明白這個道理,就是相對速度的計算公式而已嘛。

但千萬不要小看這樣的公式,如果把這個公式用物理學術語來描述,立馬就會變得高大上起來,因爲它就是“伽利略變換”。

怎麼樣?是不是名字一變,立馬就感覺檔次上升了一個臺階?

但也不要因此而去“酸”伽利略本人,雖然道理大家都知道,但那是人家總結出來的公式。就像“兩點之間線段最短”一樣,平時我們走路上都會走直線,實際上每個人都明白這個道理,但很少有人總結出來。

扯得有點遠了,迴歸正題。

牛頓力學體系的基石其實就是伽利略變換,當然,你也可以認爲基石是絕對時空觀,但本質是一樣的。

現在我們徹底放飛我們的思維,來做一個思想實驗,假設高速公路上的警車和超速的小汽車都突然“瘋狂”起來,兩輛汽車都以0.8倍光速反方向行駛,當然這個速度的參照系都是地面。

於是,按照伽利略變換的速度疊加來計算,兩輛汽車的相對速度自然就是1.6倍光速,但是按照麥克斯韋方程組解釋,光速是最快的速度,並且光速是不變的,1.6倍光速自然是不可能的。

同時,伽利略變換推導出來的結果本身也有矛盾。如果警車朝着逃逸的小汽車發射一束光,也就是電磁波,這束光無論如何都追不上小汽車,畢竟兩輛車的相對速度是1.6倍光速,超過了光速,也就是說,警車根本就無法測量逃逸車輛的速度。

但在理論上,通過伽利略變換卻能計算出逃逸車輛的速度是1.6倍光速。理論推導出來的結果在現實中無法具體實踐,顯然這是矛盾的。

洛倫茲是如何解決上述矛盾的呢?方式簡單粗暴:直接把光速恆定或者說光速極限這個原則加到伽利略變換中,結果伽利略變換“搖身一變”成了著名的“洛倫茲變換”。

當然,洛倫茲變換的推導過程並非如此簡單,上面已經說了,洛倫茲把光速不變的原因歸爲以太在運動方向上會收縮,在此基礎上利用兩個參照系之間的速度關係,推導出了洛倫茲變換。

而愛因斯坦直接否定了以太的存在,提出光速就是絕對不變的,他在光速不變的基礎上,推導出來的結果正好與洛倫茲變換完全一樣。

這是巧合嗎?

當然不是,是必然的。因爲愛因斯坦和洛倫茲兩人推導的基礎其實都是“光速不變”,只是愛因斯坦更爲簡單粗暴,直接提出光速就是絕對不變的,而洛倫茲換了一種方式,認爲光速並不是絕對不變的,只是以太在運動方向上的收縮導致了光速不變的“假象”。

但洛倫茲堅守的以太又是什麼呢?實際上不就相當於“時空”本身嗎?時空本身就是以太,而在愛因斯坦眼裡,時空也確實會在運動方向上收縮,所謂的“尺縮效應”。

所以,我們能說洛倫茲堅守以太的概念“錯”了嗎?非要說錯了的話,也只是錯在牛頓力學體系下的絕對時空觀對洛倫茲影響太深了,他完全無法放棄絕對時空觀。

說白了,當時的洛倫茲真的無限接近狹義相對論了。甚至他可以什麼都不做,只要放棄絕對時空觀思想,狹義相對論就到手了!

而愛因斯坦提出狹義相對論之後,也把洛倫茲變換當作相對論的基本公式之一,並稱洛倫茲爲狹義相對論的“奠基人”,可見在愛因斯坦眼裡,洛倫茲多麼偉大!