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千上万的人前来顶礼膜拜,啧啧赞叹。它太壮观了!物理学的这片土地正是由于有了它,才更加溢彩流光!才更加风采动人!才更加叹为观止!
“昔人已乘黄鹤去”,如今,这幢大厦的缔造者已经离开我们半个世纪了,而大厦也业已成为了物理帝国的一大支柱,它的光芒照亮了世界的一个又一个角落,指引着我们继往开来,浩荡前进。
然而,赞许与质疑并存,褒贬也总会不一,这对于任何一件事物来说,都是必然会存在的。狭义相对论自然也就不会例外了。
从1905年一直到今天,人们对狭义相对论质疑的声音从来就没有停止过。
你只要在互连网上一搜,就会看到不计其数的相关文章和论坛。这其中,有中文的,也有英文的,更有其他语言的……
在这个群体当中,不仅有外国学者,也有我们龙的传人;不但有物理学爱好者,其中也不乏一些大师级人物……像麦克尔孙这样的大家,还有中国复旦大学的已故教授卢鹤绂,更有很多其他的学者和业余爱好者……
来自五湖四海的人们把矛头对准了大厦的每一寸地方,甚至对每一块砖头都进行了仔细的推敲和琢磨。
最基本的两条原理、相对时空观、同时性、长度收缩、时间膨胀、质速关系、E=mc2、狭义相对论的一些实验证据……几乎所有的结论都成为了人们质疑的目标,除此之外,爱因斯坦的推理过程、逻辑结构等等也难逃一劫……在这些质疑的声音中,有一些是自身站不脚的,但也有一些确实来势汹汹,非可小视,怠慢不得。
而在如此猛烈的攻击之下,大厦也确实暴露出来了一些令人不太满意的地方!
其实,这也是符合我们老祖宗的训言来的——谁能一眼望穿天下事,谁能一书写尽天下理呢?
说到底,每一个时期,人类的认识能力、实践能力都是有限的。而我们的理论却又正是在这样认识和实践的基础上总结出来的。所以理论规律应该是具有历史性的,也就是说,这个理论只有对于某一个特定的时期才是有效的,才是正确的。而随着人类自身的不断发展,认识和实践范围的不断扩大,必然会遇到新的现象,而这些现象再用之前的理论去解释的时候,就很有可能行不通了!毕竟,之前的理论是建立在之前的基础上的!像牛顿力学,它在低速情况下是和实际吻合的,但当我们发展到可以接触高速世界时,它就显得有些力不从心了。
而这在很大程度上也是由于物理学理论本身的一些特点所决定的。
很少有听过数学史上出现过物理学这样的大革命吧?有也是一些数学危机,但那更多可以说是由于概念等不够清晰而造成的,像无理数的出现、无穷小量的理解和集合论问题这三次数学危机。而就算对于非欧几何的诞生这样的冲击,也一样不能说欧几里得几何本身是有问题的。数学并不像物理学这样可以经常推翻之前的理论。
可以说,数学和物理学都是建立在一系列的假设的基础上的。比方说,几何学的公设,就是它的基础,而也是人为地规定的,你可以通过规定不同的公设,严格地建立起不同的体系,它们是平权的,不能说我的就对,你的就错。在数学中,一旦有了基础,只要你之后的推理是符合逻辑的,没有互相矛盾的,那么这就算一个正确的、有效的体系了。
但物理学不同,它必须得符合客观世界!(例如,你假定光速对于任何人来说都是一个常数是吧?那如果这跟客观世界相悖了,那这个假设就得淘汰!)但我们理论的基础假设呢,却是由我们主观根据经验来确定的!这就可能有矛盾了!主观的不见得就一定和客观的相符!客观只有一个,而主观则会由于不同的人会出现不同!所以很有可能我们的假设是存在问题的!例如以太这样的假设,它是我们主观想象的。
而只要假设出现了差错,也就是基础出了问题,那么整个体系肯定就会有不对之处了!可能它是处于一个比较明显的位置,人们很快就发现了,于是这个理论便夭折。比方说,洛伦兹的假设。但也有可能它是隐藏在一个很小很小的角落里,因为它超出了当时人类的认知范围,所以人们在很长一段时间都没有注意到它,于是,这个理论就成为了那个时代的真理了。比如说绝对时空观。
从这个角度来说,老祖宗的“时势造英雄”是非常有道理的。人类的认知永远具有时代局限性。就算你在2007年发现了3007年的理论,但在它现今的时代也是无法生存的!因为人们根本就不屑一顾,它可能远远超过了我们的社会发展,从而我们根本就用不上!想象一下,在牛耕时代,你拿量子理论去跟他说会有什么作用呢?
除非你所有的出发点——假设是正确的,否则就不能成为一个绝对正确的理论!
但不幸的是,这样的几率太小了!我们人类有史以来都没有遇到过!当然,不排除以后会遇到的可能。
接下来,我将简单说说狭义相对论在假设方面所遇到的挑战。而对于它的那些结论、推理过程和逻辑结构方面的挑战,我就不说了,有兴趣的读者可以自己去了解一下。
我之所以要聊聊狭义相对论这方面的内容,目的是为了让大家明白这样一个道理——我们很难找到一个完美的理论,狭义相对论也存在着一些不太让人满意的地方,但在对那一个时代来说,它还是具有很大的积极性的。我们应该辨证地看待狭义相对论,推而广之,更要辨证地看待一切物理理论!
这也是我们应该具备的科学素养。
好,我们继续前进。
在狭义相对论中,沿用了牛顿力学关于“刚性量杆”服从欧几里得几何的假定。
欧几里得几何是我们熟悉的几何了。但是,前面我们也已经说过了非欧几何,事实上,只要改变欧几里得几何的第五条公设,我们是可以得到与之不同、却又同样是正确的新的几何体系,像黎曼几何就是其中的一种。为什么可以这样呢?因为虽然我们的基础(公设)不同了,但我们的逻辑推理过程一样是合法的!所以,这在数学上是平权的!也就是说,不仅仅只存在一种几何学,相反可以有很多种!
但在这里,你主观地选择了欧几里得几何!况且你又还没有知道究竟哪个几何才是真正合适的!凭感觉乱抓一个,这就有点说不过去了吧?!
打个比方说,你要从这里的A地去B地办点事情。而现在,连接A地总共就有10条道路,你在未知哪条路可以通向B地的情况下,你怎么可以说正东方向的那条就是行得通的呢?
是吧?
狭义相对论在这条假设上显得有些先入为主了。
再来看另外一个。
狭义相对性原理说到了惯性系的问题,但有点黑色幽默的是——
狭义相对论却无法解决惯性运动和惯性系的起源问题!
而光速不变原理也同样地遭遇了一些尴尬。
光速不变原理说:在所有的惯性系看来,真空的光速都是一个常数c。
这有实验证据支持吗?
没有!
所有的实验都只不过证明了双程光速如爱因斯坦所言,而从来都没有证实过单程的就是这样!
也就是说,所有的实验中,包括麦克尔孙…莫雷实验,光都是一来一回的!它从A处出发,到了B地就折回来,最终还是回到A处。这是双程的!双程的光速不变!
但是对于单程的呢?单是从A地到B地的呢?从来就没有实验证明过!
在这里,爱因斯坦假设了单程的光速也是不变的!
如果,这个假设跟客观现实有出入了,那狭义相对论就将面临着极其难堪的局面。
以上三个假设要素让我们感到狭义相对论的基础确实不太坚实。而且只要一有实验证实不是这样的话,那么狭义相对论的麻烦就接踵而来了。
除此之外,超光速问题也一直在试图揭开狭义相对论的伤疤,我们就来看看。
近年来,有关超光速(faster than light,Superluminal speed)的报道屡见不鲜,不断地冲击着我们的眼球。
1991年,意大利国家电磁波研究院的研究人员将一束微波通过波导管,发现随着波导管的加长,有一部分微波以超光速穿过了导管。
奥地利维也纳技工大学也在一实验中发现不管势垒有多厚,光子穿越其时间都是固定的,这就意味着超光速的存在。
2000年7月,美籍华裔、美国新泽西州NEC研究所的王利军在《自然》(Nature)杂志上发表了更加惊人的实验结果——利用铯原子气体的反常色散现象,可以使得激光脉冲群速度达到真空光速的310倍之多!
而通过利用洲际的甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry;VLBI。这种射电干涉测量是1967年在加拿大和美国几乎同时实验成功的,而中国也在1981年11月27日至29日与西德成功进行了测量。),科学家在1977~1980年间观测到类星体3C273的射电喷流的切向速度竟然约相当于光速的10倍!而其他类似的射电源膨胀速度超过光速的例子也十分常见!
这一些惊人的实验不断地向狭义相对论发起了非难。
前面我们也已经说了,洛伦兹变换式里面的那个根式因子要求我们——所有物体的速度不得超过光速!而且,在后面的讨论中,我们也看了你要是想以光速驰骋天下的话,你必须付出代价——你的静止质量为零!就像光子那样!
但是,现在一大堆的事实摆在了面前——存在超光速!
“打倒狭义相对论!”“可以超过光速是我们每个人的权利!”“严正谴责狭义相对论的非法剥夺公民正当权利的行为!”……
口号都喊到家门口了!
看来难逃此劫了!万劫不复!
爱因斯坦永远都