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杨鸿智-后现代理论医学博客

《后现代医学》、《正反馈医学》、《自体原位器官重构技术》

 
 
 

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这是一个宣传后现代理论医学的博客.后现代理论医学是以系统理论为指导的新医学.该理论认为,在生命组织中干细胞是决定机体功能状态最基本的因素.通过调节机体内环境和为干细胞提供再生所需要的物质和能量,就可以使干细胞在患者体内原位再生,实现器官重构,使器质性病变得到治疗.现在,已经在北京医药信息学会内成立了后现代理论医学专业委员会,杨鸿智是主任委员.

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(9)李醒民:《狭义与广义相对论浅说》导读(1-1)  

2013-05-01 20:51:36|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

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9)李醒民:《狭义与广义相对论浅说》导读(1-1

作者:李醒民

(中国科学院研究生院, 北京 100049

http://hps.pku.edu.cn/2006/11/2364

 

阿尔伯特?爱因斯坦(Albert Einstein, 1879~1955)是20世纪最伟大的科学家、思想家和人。作为科学家,他是1920世纪之交物理学革命的发动者和主将,是现代科学的奠基者和缔造者。他的诸多科学贡献都是开创性性的和划时代的。按照现今的诺贝尔科学奖评选标准,他至少应该荣获五六次物理学奖(狭义相对论、布朗运动理论、光量子理论、质能关系式、广义相对论,以及固体比热的量子理论、受激辐射理论、玻色-爱因斯坦统计、宇宙学等)。爱因斯坦在物理学家心目中的威望和位置遥遥领先。据说,199912月,《物理学世界》(Physics World)杂志在世界第一流物理学家中间做了一次民意测验,询问在物理学中做出最重要贡献的五位物理学家的名字。在收到的表格上,共有61位物理学家被提及。爱因斯坦以119票高居榜首,牛顿紧随其后得96票。麦克斯韦(67)、玻尔(47)、海森伯(30)、伽利略(27)、费因曼(23)、狄拉克(22)和薛定谔(22)出现在前10名中。130位调查对象只有一人提名斯蒂芬?霍金——要知道,他可是当今全球知名度最高的科学家啊。

 

作为思想家,爱因斯坦的以开放的世界主义、战斗的和平主义、自由的民主主义、人道的社会主义为标志的社会政治哲学,以及远见卓识的科学观、别具只眼的教育观、独树一帜的宗教观,无一不是人类宝贵的思想遗产,它们将会成为21世纪“和平与发展”主旋律中的美妙音符,永远充当社会进步和文明昌盛的助推器。他的科学哲学是由五种要素——温和经验论、基础约定论、意义整体论、科学理性论、纲领实在论——构成的独特而绝妙的多元张力哲学。在这个兼容并蓄、和谐共存的哲学统一体中,这些不同的乃至异质的要素相互限定、珠联璧合,彼此砥砺、相得益彰,保持着恰如其分的“必要的张力”,从而显得磊落轶荡、气象万千。他的探索性的演绎法、逻辑简单性原则、准美学方法、形象思维等科学方法论别出机杼,所向披靡。他关于科学的客观性、可知性、统一性、和谐性、因果性、简单性、不变性等科学思想涵义深邃,意蕴隽永。它们是1920 世纪之交科学哲学和科学方法论的巅峰——以马赫、彭加勒、迪昂、奥斯特瓦尔德、皮尔逊为代表的批判学派——之集大成和发扬光大,是现代哲学的思想奇葩和智慧结晶,从而在在哲学史和思想史上浓墨重彩地大书一笔,成为世人取之不尽、用之不竭的精神宝藏。

 

爱因斯坦作为一个大写的人,他对生命的价值和人生意义的理解,他对真善美的不懈追求,他的独立的人格、仁爱的人性和高洁的人品,这一切形成了他的丰盈的人生哲学和道德实践,成为人类高山景行的楷模和人的自我完善的强大的精神力量。在某种意义上,作为人的爱因斯坦比作为科学家和思想家的爱因斯坦还要伟大。当他活着的时候,全世界善良的人似乎都能听到他的心脏在跳动;当他去世时,人们不仅感到这是世界的巨大损失,而且也是个人的不可弥补的损失。这样的感觉和情愫是罕有的,一个自然科学家的生与死能在世人中间引起这样的感觉,也许在历史上还是头一次。

 

说到此处,我们蓦然想起宋人钱惟演的《对竹思鹤》。钱诗云:“瘦玉萧萧伊水头,风宜清夜露宜秋。更教仙骥旁边立,尽是人间第一流。”以此诗之意象隐喻爱因斯坦,岂不是神来之笔,惟妙惟肖?!

 

今年是爱因斯坦创立狭义相对论(写于19056月,发表于同年9月)100周年和逝世(1955418日)50周年,联合国不失时机地把2005年定为“物理学年”,德国、瑞士等国家也把2005年定为“爱因斯坦年”,以表达对爱因斯坦的纪念。为纪念这位百年或千年难得一遇的世界伟人,北京大学出版社适逢其会地出版爱因斯坦的著作《狭义与广义相对论浅说》等,这既表达了对爱因斯坦的缅怀之心和铭感之情,更表明继承和发扬他的思想遗产和精神菁华之意。

 

(一)爱因斯坦的“幸运年”

 

1905年,是爱因斯坦的“幸运年”。是年,晴空响霹雳,平地一声雷——爱因斯坦在德国《物理学年鉴》17卷发表了著名的“三合一”论文,当时他还是瑞士伯尔尼专利局的一个默默无闻的小职员。

 

第一篇论文是《关于光的产生和转化的一个启发性的观点》,即光量子论文,写于19053月。爱因斯坦在其中大胆提出光量子假设:从点光源发出来的光束的能量在传播中不是分布在越来越大的空间中,而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成,这些能量子能够运动,但不能再分割,只能整个地吸收或产生出来。从这一假设出发,他讨论和阐释了包括光电效应在内的9个具体问题。这篇论文的确是“非常革命的”,它使沉寂了4年之久的普朗克的辐射量子论得以复活,并拓展到光现象的研究之中。它直接导致了1924年德布罗意物质波的概念和1926年薛定谔波动力学的诞生。

 

第二篇论文是《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》,即布朗运动论文,写于19055月。该论文指出古典热力学对于可用显微镜加以区分的空间不再严格有效,并提出测定原子实际大小的新方法。这直接导致佩兰1908年的实验验证,从而给世纪之交关于原子实在性的旷日持久的论争最终画上句号。

 

第三篇论文是《论动体的电动力学》,即狭义相对论论文,写于19056月。这篇论文并非起源于迈克耳逊-莫雷实验。它由麦克斯韦电动力学应用到运动物体上要引起似乎不是现象所固有的不对称作为文章的开篇,通过引入狭义相对性原理和光速不变原理两个公设以及同时性的定义,从而推导出长度和时间的相对性及其变换式,一举说明了诸多现象。

紧接着在同年9月,爱因斯坦又完成了《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》这篇不足3页的论文,通过演绎,轻而易举地导出了质能关系式E=mc2,得出“物体的质量是它所含能量的量度”的结论,从而叩开了原子时代的大门。

 

狭义相对论的提出是物理学中划时代的事件。它使力学和电动力学相互协调,变革了传统的时间和空间概念,提示了质量和能量的统一,把动量守恒定律和能量守恒定律联结起来。它与10年之后创立的广义相对论,在科学史上的矗立了一座巍峨而永恒的丰碑,全面打开了物理学革命的新局面。海森伯曾经说过:“在科学史上,以往也许从来没有过一个先驱者象阿尔伯特?爱因斯坦和他的相对论那样,在他在世时为那么多的人所知道,而他一生的工作却只有那么少的人能够懂得。然而,这个名声是完全有理由的。因为有点象艺术领域中的达?芬奇或者贝多芬,爱因斯坦也站在科学的一个转折点上,而他的著作率先表达出了这一变化的开端;因此,看来好像是他本人发动了我们在本世纪上半期所亲眼目睹的这场革命。”

爱因斯坦的“三合一”论文是在8周内一气呵成的,当时他只是瑞士伯尔尼专利局一名默默无闻的小职员。奇迹是怎样发生的呢?

 

“问渠那得清如许,为有源头活水来。”

 

在叙述爱因斯坦创立狭义相对论之前,我们先回顾一下当时的科学背景以及先驱者们的工作,尤其是洛伦兹和彭加勒的贡献。

 

(二)19世纪末的物理学状况

 

19世纪初光的波动说复活以来,物理学家一直对传光媒质以太议论不休,其中一个重要问题就是以太和可称量物质(特别是地球)的关系问题。

 

当时,有两种针锋相对的观点。菲涅耳在1818年认为,地球是由极为多孔的物质组成的,以太在其中运动几乎不受什么阻碍。地球表面的空气由于其折射率近于1,因而不能或者只能极其微弱地曳引以太,可以把地球表面的以太看作是静止的。

 

斯托克斯认为菲涅耳的理论建立在一切物体对以太都是透明的基础之上,因而是不能容许的。他于1845年提出,在地球表面,以太与地球有相同的速度,即地球完全曳引以太。只有在离开地球表面某一高度的地方,才可以认为以太是静止的。由于菲涅耳的静止以太说能圆满地解释光行差现象(由于地球公转,恒星的麦观位置在一年内会发生变化),因而人们普遍赞同它。

 

假使静止以太说是正确的,那么由于地球公转速度是每秒30公里,在地球表面理应存在“以太风”。多年来,人们做了一系列的光学和电学实验(即所谓的“以太漂移”实验),企图度量地球通过以太的相对运动。但是,由于实验精度的限制,只能度量地球公转速度和光速之比的一阶量,这些一阶实验一律给出否定的结果。

 

随着麦克斯韦电磁理论的发展,人们了解到,与地球公转速度和光速之比的平方有关的效应,应该能在光学和电学实验中检测到。因为麦克斯韦理论隐含着,光、电现象有一个优越的参照系,这就是以太在其中静止的参照系,以太漂移的二阶效应理应存在。但是这个实验精度要求太高,一时还难以实现。

 

其实,麦克斯韦早在1867年就指出,在地球上做测量光速的实验,因为光在同一路径往返,地球运动对以太的影响仅仅表现在二阶效应上。1879年,麦克斯韦在致美国航海历书事务所的信中就提出了度量太阳系相对以太运动速度的计划,当时在事务所工作的迈克耳逊采纳了这一建议。

 

1881年,迈克耳逊正在德国柏林赫尔姆霍兹手下留学。由于在柏林无法完成实验,迈克耳逊把别人为他建造的整个装置运到波茨坦天体物理观测站进行实验。他所期望的位移是干涉条纹的0.1,但实际测得的位移仅仅是0.0040.005,这只不过相当于实验的误差而己。

显然,否定结果(也称“零结果”)表明,企图检测的以太流是不存在的。迈克耳逊面对事实不得不认为:“静止以太的假设被证明是不正确的,并且可以得到一个必然的结论:该假设是错误的”,“这个结论与迄今被普遍接受的光行差现象的解释直接矛盾”,“它不能不与斯托克斯1846年在《哲学杂志》发表的论文附加摘要相一致”。

 

不过,这次实验的精度还不够高,数据计算也有错误。1881年冬,巴黎的波蒂埃指出了计算中的错误(估计的效果比实际大了两倍),洛伦兹在1884年也指出了这些问题。因此,无论迈克耳逊还是其他人,都没有把这次实验看作是决定性的。迈克耳逊本人此后也将兴趣转移到了精密测定光速值,对1881年的实验进行改良的工作就这样搁置下去了。

 

1884年秋,威廉?汤姆逊访问美国,他在巴尔的摩作了多次讲演。到会听讲的迈克耳逊有机会会见了与汤姆孙一起访美的瑞利勋爵,他们就1881年的实验交换了意见。与此同时,瑞利也转达了洛伦兹的意见。瑞利的劝告给迈克耳逊以极大的勇气,他进一步改进了干涉仪,和著名的化学教授莫雷一起,于18877月在克利夫兰重新进行了实验,此时的迈克耳逊已是克利夫兰城凯思应用科学院的教授了。

 

为了维持稳定,减小振动的影响,迈克耳逊和莫雷把干涉仪安装在很重的石板上,并使石板悬浮在水银液面上,可以平稳地绕中心支轴转动。为了尽可能增大光路,尽管干涉仪的臂长已达11米,他们还是在石板上安装了多个反射镜,使钠光束来回往返8次。根据计算,这时干涉条纹的移动量应为0.37,但实测值还达不到0.01

 

迈克耳逊和莫雷认为,如果地球和以太之间有相对运动,那么相对速度可能小于地球公转速度的1/60,肯定小于1/40。他们在实验报告中说:“似乎有理由确信,即使在地球和以太之间存在着相对运动,它必定是很小的,小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。”

 

1887年实验的否定结果对于当时的每一个人来说都是迷惑不解的,而且在很长一段时间内依然如故。人们并没有认为该实验是判决性的,就连迈克耳逊自己对他的结果也大失所望,他称自己的实验是一次“失败”,以致放弃了在实验报告中许下的诺言(每五天进行六小时测量,连续重复三个月,以便消除所有的不确定性),不愿再进行长期的观察,而把干涉仪用来于其他事去了。

 

迈克耳逊并不认为自己的实验结果有什么重要意义,他觉得实验之所以有意义,是因为设计了一个灵敏的干涉仪,并以此自我安慰。直到晚年,他还亲自对爱因斯坦说,他自己的实验引起了相对论这样一个“怪物”,他实在是有点懊悔的。

 

洛伦兹对迈克耳逊实验的结果也感到郁郁不乐,他在1892年写给瑞利的信中说:“我现在不知道怎样才能摆脱这个矛盾,不过我仍然相信,如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论,……我们就根本不会有一个合适的理论了。”洛伦兹对1887年的实验结果依然疑虑重重:“在迈克耳逊先生的实验中,迄今还会有一些仍被看漏的地方吗?”

 

瑞利在1892年的一篇论文中认为:“地球表面的以太是绝对的静止呢,还是相对的静止呢?”这个问题依然悬而未决。他觉得迈克耳逊得到的否定结果是“一个真正令人扫兴的事情”,并敦促迈克耳逊再做一次实验。威廉?汤姆孙直到本世纪开头还不甘心实验的否定结果。

 

顺便说说,迈克耳逊的实验工作和爱因斯坦的相对论在历史上并无什么直接联系。但是在1900年前后,他的“以太漂移”实验对洛伦兹等人的电子论却产生了毋庸置疑的影响。尽管学术界对该实验的历史作用仍有不同的看法,但迈克耳逊本人晚年仍念念不忘“可爱的以太”。直到1927年,他在自己最后一本书中谈到相对论己被人们承认时,仍然对新理论疑虑重重。

 

迈克耳逊-莫雷实验似乎排除了菲涅耳的静止以太说,而静止以太说不仅为电磁理论所要求,而且也受到光行差现象和斐索实验的支持。为了摆脱这个恼人的困境,斐兹杰拉德和洛伦兹分别在1889年和1892年各自独立地提出了所谓的“收缩假设”。他们认为,由于干涉仪的管在运动方向上缩短了亿分之一倍的线度,这样便补偿了地球通过静止以太时所引起的干涉条纹的位移,从而得到了否定的结果。洛伦兹基于电子论进而认为,这种收缩是真实的动力学效应,对于物质来说具有普遍意义。拉摩也十分赞同这一看法,他证明如果物质由电子组成,这种情况便能够发生。

 

(三)狭义相对论的先驱:洛伦兹和彭加勒

 

洛伦兹是于189211月在荷兰阿姆斯特丹科学院提出收缩假说的。他是荷兰物理学家,21岁就获得博士学位、精通法、德、英文。他在解释了迈克耳孙实验的否定结果时认为:“初看起来,这个假设似乎不可思议,但我们不能不承认,这决不是牵强附会的,只要我们假定分子力也像电力和磁力那样通过以太而传递(至于电力和磁力,现在可以明确地作这样的断言),平移很可能影响两个分子或两个原子之间的作用,其方式有点类似于荷电粒子之间的吸引与排斥。既然固体的形状和大小最终取决于分子作用的强度,因此物体大小的变化也就会存在。”

 

在提出收缩假说后,洛伦兹进一步探讨了以太和地球相对运动对其他电磁现象和光现象的影响问题。1895年,他发表了“运动物体中电磁现象和光现象的理论研究”。在这篇论文中,他不仅进行了个别的讨论,而且证明了普遍保证一阶效应不能显示出来的状态对应定理:“设在静止参照系中存在着以xyzt为变数表示的电磁状态,那么在具有同样物理构造并以v运动的参照系中,以相对坐标x'y'z'和当地时间t'为独立变数的同样的函数所表示的电磁状态也必定存在。”现在看来,这个定理在一次近似下表示了洛伦兹协变性。可是,洛伦兹当时并无此意,当地时间只不过是为了数学上的方便而引入的辅助变数而已。

 

1895年的理论仅仅是完成了一次近似,用它还不能说明迈克耳逊实验。用收缩假说虽然可使矛盾得以解决,但是该假说和他的理论体系并没有本质的联系。因此,洛伦兹努力提高对应态定理适用范围的阶数,企图使它成为一个严密的定理。彭加勒的中肯批评和后来的两个实验加快了洛伦兹的工作进程。

 

1900年,彭加勒在巴黎召开的国际物理学会议上作了“实验物理学和数学物理学的关系”的讲演。在这篇讲演中,他特别谈到,洛伦兹理论是现存理论中最使人感到满意的理论,但是也有修正的必要。他认为,假使为了解释迈克耳逊实验的否定结果,需要引入新的假说,那么每当出现新的实验事实时,也同样有这种需要。毫无疑问,对于每一个新的实验结果创立一种特殊假说,这种作法是不自然的。假使能够利用某些基本假定,并且不用忽略这种数量级或那种数量级的量,来证明许多电磁作用都完全与系统的运动无关,那就更好了。其实,彭加勒在1899年的一次讲话中就谈到这种看法。

 

彭加勒的批评给洛伦兹指出了努力的方向,但促使他最后下决心改善先前理论的是瑞利、布雷斯以及特劳顿和诺布耳的实验。

 

按照洛伦兹的收缩假说,假使物体在运动方向缩短,那么它的密度就会因方向而异,这样一来,透明体理应显示出双折射现象。瑞利在1902年做了实验,并未发现预期的现象。布雷斯在1904年重复了这个实验,依然得到否定的结果。按照同样的假说,如果使电容器的极板与地球运动方向成一角度,那么当给电容器充电时,应该存在使电容器极板转向地球运动方向的力偶作用。可是在1903年,特劳顿和诺布耳把电容器固定在灵敏的扭秤上,这种扭秤的灵敏度足以测出该数量级的力偶矩,然而他们在实验中却没有观察到任何效应。

 

洛伦兹面对事实,抱定彻底解决而不是近似解决所有问题的决心,经过重新努力,终于在19045月完成了题为“速度小于光速系统中的电磁现象”的论文。洛伦兹1904年的理论是以麦克斯韦方程和作用在电荷上的力(后来称为洛伦兹力)的表达式为基础的,其中麦克斯韦方程在相对于以太固定的参照系(xyz)中是成立的。他的目的是研究以匀速沿x轴方向运动的物理系统中所发生的电磁现象,以阐明该现象显示不出任何运动效应。他发现,利用原先的方程和表达式在相对以太运动的参照系中处理问题是极为复杂的,为了避免不必要的麻烦,他作为一种数学技巧引入了新的变数——相对坐标和当地时间。在定义了新的电位移矢量和磁场强度矢量后,他又假定了电荷密度和速度之间的变换式。他把新变数代入原方程之中,得到了带撇变数的新方程,它与原方程具有几乎相同的形式。

 

就这样,洛伦兹在没有忽略所有各阶项的情况下得到了对应态定理。尽管洛伦兹事先声称,他的这篇论文是以“基本假定”而不是以“特殊假说”为基础的,但为了达到他的既定目标,还是采用了11个特殊假说。洛伦兹从他科学生涯一开始,就着手计划把菲涅耳关于以太和物质相互作用的思想与麦克斯韦电磁场理论以及韦伯、克劳修斯电的原子观点统一起来。1904年的理论就是这一目标的最终实现。尽管洛伦兹企图在经典理论的框架内解决新实验事实和旧理论的矛盾,可是某些结论却超出了这个框架(例如粒子质量随速度而变化,粒子在以太中运动的速度不能大于光速)。

 

彭加勒极为热情地接受了洛伦兹的理论,他从数学上给洛伦兹理论以更为简洁的形式。他把洛伦兹的坐标与时间变换式命名为洛伦兹变换,并论证当l1时,该变换形成一个群。彭加勒还推广了洛伦兹理论,导出电荷和电流密度的变换关系,他甚至(虽然是隐含着)使用了四维表达式。实际上,伏格特在1887年,拉摩于1900年已分别发现了类似的变换式,只是由于没有认识到它的重要意义,因而并未引起人们的注意。

 

彭加勒主要是一个数学家,而洛伦兹主要是一个理论物理学家。可是谈到对相对论发展的贡献,情况却恰好相反:洛伦兹提出了许多数学表达式,而彭加勒却提出了普遍原理。

 

1895年,彭加勒在研究拉摩的电磁理论的论文中首次出现了相对性原理的提法。在那里他说,从各种经验事实得出的结论能够概括为述断言:“要证明物质的绝对运动,或者更确切地讲,要证明可称量物质相对于以太的运动是不可能的。”

 

1899年,他在巴黎大学讲演时说:“我认为很可能,光学现象只依赖于物体的相对速度。……在光行差常数中,如果不忽略二阶或三阶量,这也许是正确的,但却不是严格正确的。当实验变得越来越严格,这一原理也将变得越来越精确。”

 

第二年,在巴黎举行的物理学会议上,他再次重申了同样的观点:“我不相信……除了物体的相对位移之外,更严密的观察将会使其他东西明显起来。”对于所有各阶“都必须找到同一解释……这种解释同样完满地适用较高阶的项,这些项的相互对消将是严格的绝对的。”相对性原理这个术语是彭加勒19049月在圣路易斯国际技术和科学会议的讲演中首次使用的。由于这一原理,“物理现象的定律对‘一个固定的观察者’与对于一个相对于他做匀速运动的观察者必定是相同的。这样一来,我们没有,也不可能有任何识别我们是否做这一运动的手段。”

 

彭加勒在1898年还第一个讨论了假设光速对所有观察考都是常数的必要性。在这一年发表的“时间之测量”一文中,彭加勒指出:光具有不变的速度,特别是光速在所有方向上都相同“是—种公设,没有这一公设,就无法测量光速”。他还指出:“绝对空间是没有的,我们所理解的不过是相对运动而已”,“绝对时间是没有的,所谓两个历时相等,只是一种本身毫无意义的断语。”“不但我们没有两个相等的时间的直觉,并且我们对于两地所发生的两事件的同时性也没有直觉。”在同—篇文章中,彭加勒还讨论了用交换光信号确定两地同时性的问题。在1902年出版的《科学与假设》中,他又一次重申了上述观点。几乎没有什么疑问,到1900年,彭加勒手头已经具备了建造相对论的所有必需的材料。在1904年圣路易斯会议的讲演中,他还惊人地预见了新力学的大致轮廓。

 

19世纪末,运动物体电磁现象的研究取得了进展,因电气技术发展而提出的单极电机问题引起了物理学家的兴趣。所谓单极电机,就是使一个圆筒形的磁铁绕轴旋转,把转轴和筒壁用导线联结起来,回路就有电流流过(单极感应)。这时,感应电动势在回路的什么地方产生呢?磁铁旋转时,磁力线随之一起旋转呢,还是停留在一个固定的位置上呢?这个问题在1900年前后成为物理学家的中心议题之一,实际上相当于如何使包括有可动物体系统中的电磁现象理论化的问题,属于动体电动力学的内容。1900年,科恩继续坚持赫兹在1890年“关于动体电动力学的基础方程式”一文中提出的观点(以太并不独立于物体运动,力线并非物质的特殊状态,它只是一种符号等等),尝试用动体电动力学来处理当时面临的实际问题。

 

科恩也把世界分为以太和电子,而不论及运动参照系中的现象是如何被看到的;他始终把物体当作宏观的、一成不变的东西来处理,论述物体运动时内部发生的电磁现象。科恩也引入了与洛伦兹相同的当地时间作独立变数,找到了可以变为与静止物体的麦克斯韦宏观方程形式严格相同的方程式,把它作为运动物体的方程式。

用今天的眼光来看,其引人注目之处在于,他能根据近于协变性的想法导出方程式。尽管科恩当时并不清楚它的意义,但他导出的方程式能说明大多数实验事实,因而在那时还是有影响的。

 

 

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