注册 登录  
 加关注
   显示下一条  |  关闭
温馨提示!由于新浪微博认证机制调整,您的新浪微博帐号绑定已过期,请重新绑定!立即重新绑定新浪微博》  |  关闭

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》

 
 
 

日志

 
 
关于我

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.

网易考拉推荐

(9)李醒民:《狭义与广义相对论浅说》导读(1-2)  

2013-05-01 20:52:57|  分类: 干细胞病 |  标签: |举报 |字号 订阅

  下载LOFTER 我的照片书  |

9)李醒民:《狭义与广义相对论浅说》导读(1-2

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

 

(四)爱因斯坦的思想发展

 

在爱因斯坦于1905年完成狭义相对论论文的前期,正是洛伦兹和科恩这两种理论之花争香斗艳的时候,迈克耳逊-莫雷实验已完成将近20年了。以往许多教科书和文章在介绍相对论的诞生时,都把上述背景看作是爱因斯坦创立相对论的基础和出发点,这是不符合事实的。

爱因斯坦195429日给达文波特的信中说:“在我本人的思想发展中,迈克耳逊的结果并未引起很大的反响。我甚至记不得,在我写关于这个题目的第一篇论文时(1905),究竟是否知道它。对此的解释是:根据一般的理由,我坚信绝对运动是不存在的,而我所考虑的问题仅仅是这种情况如何能够同我们的电动力学知识协调起来。因此人们可以理解,为什么在我本人的努力中,迈克耳逊实验没有起什么作用,至少是没有起决定性的作用。”爱因斯坦在其他场合几次述说了同样的观点。

 

无论就爱因斯坦的思想发展和论文内容来看,还是就他的个人品质和为人来看,他的话都是可信的。至于有人说爱因斯坦的相对论是洛伦兹等人工作的直接继续,这也与事实不符。事实上,爱因斯坦当时只不过是瑞土伯尔尼专利局的一名默默无闻的小职员,他既未处于当时的科学中心,又与学术界知名人士没有什么往来,对于科恩的理论和洛伦兹1895年后的论文他是不可能了解到的。这从下述事实不难看出。洛伦兹1904年的论文是在荷兰的杂志发表的,德国皇家图书馆只有一本,而且只许借阅一天。当时在柏林大学理论物理教研室作普朗克助手的劳厄还不得不向洛伦兹直接索要复印本,地位卑微的爱国斯坦怎么会有机会看到洛伦兹的文章呢?

 

爱因斯坦不像洛伦兹那样,孜孜不倦地解决迈克耳逊实验和其他实验所提出的疑难,千方百计地弥合各种实验与经典理论的裂痕。爱因斯坦关心的是力学和电动力学形式上的不一致。在向他的既定目标前进中,他既继承了前人的思想精华,也摒弃了一些陈旧的传统观念。相对论的诞生也向我们证明了“这样一个人物的天才和独创性,他能够一眼看穿那疑难重重、错综复杂的迷宫,领悟到新的、简单的想法,使得他能够吐露出那些问题的真实意义,并且给那黑暗笼罩的领域突然带来清澈和光明。”(德布罗意语)

 

爱因斯坦通过两个渠道吸收了前人丰富的思想财富:一是通过赫兹等人的著作掌握了电磁理论,受到了启迪,特别是弗普尔的教科书,无论从内容和形式方面都给他以极大的教益;二是从马赫、休谟、彭加勒等人的著作中掌握了批判思想,彻底摆脱了绝对时空的束缚。

爱因斯坦在苏黎世联邦工业大学上学时,最使他着迷的课题是麦克斯韦理论。据爱因斯坦本人回忆,当时老师在课堂上并不讲授这些内容,于是爱因斯坦除了在物理实验室外,其余时间就通过亥姆霍兹、玻耳兹曼、赫兹等人的著作如饥似渴地学习麦克斯韦理论。在亥姆霍兹五卷本的《理论物理讲义》中,第一卷有—半讲了哲学和认识论问题,但却很少谈到具体实验,甚至在讲解有关以太问题的内容中,也未提及迈克耳逊实验,尽管该实验在亥姆霍兹的赞同下第一次完成了。

 

从亥姆霍兹写的关于麦克斯韦理论的书中,爱因斯坦能够得到的东西首先是增强了研究认识论的自觉性,并且从书中他还了解到有关证实以太的实验还不能看作是决定性的。在玻耳兹曼所写的“涉及到纯粹以太运动的麦克所韦理论的结果”的论文中,一次也没有提到具体的实验。爱因斯坦也学习了赫兹选集和在电磁学中所用的符号,这些符号他以后经常使用。爱因斯坦看到赫兹的第一批内容深刻的文章是:1884年发表的“麦克斯韦电动力学基本方程”、1890年发表的有意识地冠以“关于动体电动力学的基本方程”题目的文章。即使这位伟大的电磁实验家也未明确提到以太实验,但在现今的相对论起源的讨论中,以太实验似乎是很重要的。

 

赫兹著作的另一个作用是促使爱因斯坦转向了马赫,因为赫兹把许多思想都归功于马赫的《力学史评》一书。这三位德国物理学家对爱因斯坦的影响是显而易见的。

据美国著名科学史家、爱因斯坦问题研究专家霍耳顿考证,无论从形式或从内容来看,爱国斯坦1905年的论文都不能恰当地解释为属于洛伦兹-彭加勒系列,或麦克斯韦-亥姆霍兹-玻耳兹曼系列,甚至是基尔霍夫-马赫-赫兹系列。一位几乎被遗忘了的老师是弗普尔,他于1894年出版的《麦克斯韦电理论导论》一书直接影响了爱因斯坦的思考过程,从而导致了1905年的论文。

 

弗普尔的名字对德国老一代的科学家和工程师来说也许还能隐约记得,但对其他人来说也许全然无知。显然,他的名望与上述三位德国的著名物理学家不能相提并论,以致爱因斯坦在回亿中以“等人”二字略而未提。

 

由于弗普尔具有把麦克斯韦理论清楚地讲解给工程技术人员的能力,所以他的书很畅销。该书分为六个部分,其中第五部分特别有趣。这部分的题目是“运动导体的电动力学”,它的第一章是“由运动而引起的电动力感应”,第一章中的第一节是“空间中的相对运动和绝对运动”,它是以异乎寻常的议论开始的:“运动学即运动的一般理论的讨论通常基于下述公理:在物体的相互关系上只有相对运动是有意义的。在这里不能求助于空间中的绝对运动,因为手头如果没有观察和度量这种运动的参照对象,那么要发现这种运动就毫无意义。……根据麦克斯韦理论和光学理论,空洞的空间实际上根本不存在,即使所谓的真空也充满了以太介质”,“没有这一内容(以太)的空间概念是自相矛盾的说法,这就象没有树木的森林那样不可思议。完全空洞的空间概念根本不会受到可能的经验的支配;空洞的空间概念根本不会受到可能的经验的支配;或者换句话说,我们必须首先对这种空间概念做出深刻的修正,这种空间概念在它的原来的发展时期给人类思想打上了烙印。解决这一疑问也许成为当代科学最重要的问题。”

 

弗普尔在这里虽然并没有准备放弃以太或绝对运动,但他了解物理学最重要的问题在什么地方,这无疑对爱因斯坦是一种启示。作者以同样的方式继续写道:“当我们在下面利用相对运动的运动学定律时,我们必须谨慎地进行。我们没有必要把这种使用当作一种先验的确立的东西,例如不管磁铁在一个静止的电路附近运动,或者当磁铁处于静止而电路运动,定律的使用都是完全相同的。”作者还加上一个颇为熟悉的思想实验,他设想了第三种情况——导体和磁铁两者一起运动,它们之间没有相对运动。他说,在这种情况下,实验表明“绝对运动”本身在磁铁和电路无论哪一个上也不产生电力或磁力。这种思想实验足以表明,在原来两种情况中考虑的只是相对运动。

 

这一切,无疑对爱因斯坦具有极大的吸引力。事实上,就1905年论文的形式和风格而言,弗普尔思想的影响远比其他人更大,爱因斯坦1905年的论文就是以上述思想实验开始的。弗普尔的书给了爱因斯坦以具体指导,有助于爱因斯坦思路的展开,使他采取了—种大异其趣的方式,这种方式既不同于学校传授给他的,也不同于第一流物理学家著作中所使用的。凡是看过爱因斯坦原始论文的人都不难发现,该文在构思、形式、风格上,都与弗普尔的书有某些相似之处。当然,这并不是说,在弗普尔的思想与爱因斯坦的相对论之间存在着一种简单的因果链条。

 

对哲学和认识论的研究也极大地促进了爱因斯坦相对论的创立。在学生时代,爱因斯坦就对哲学兴味盎然。19023月下旬,他与新结识的朋友索洛文和早些时候认识的朋友哈比希特经常利用晚上举行聚会——他们诙谐地称这种聚会为“奥林比亚科学院”——讨论各种感兴趣的问题。在探讨科学和哲学最深奥的问题时,他们兴致极浓、劲头十足,往往引起长时间的热烈争论。这种聚会一直持续到190511月,使爱因斯坦获益非浅。

 

其间,他们讨论了休谟的《人性论》、马赫的《力学史评》、彭加勒的《科学与假设》以及其他人的有关著作。休谟关于实体和因果性的特别聪明而尖锐的批判对爱因斯坦的影响大概比较一般化,而休谟的时空观念对他的影响可能是直接的。

 

休谟认为,空间观念是建立在对象的排列基础上,这种对象是可触知的;而时间观念是建立在对象的连续的基础上,这种对象是能够变化的,可觉察的。至于马赫对爱因斯坦创立相对论的影响,主要是帮助爱因斯坦扫除了机械自然观和力学先验论的思想障碍,认识到牛顿的绝对时间和绝对空间等概念已经不适应刻写的发展。特别是彭加勒的书,对他们的印象极深,他们用好几个星期紧张地读它,彭加勒的科学思想和批判精神对爱因斯坦必定有所启示和激励。

 

相对论的创立并非一蹴而就。正如爱因斯坦1952311日写泽利希的信中所说:“在狭义相对论的思想概念和相应的结果发表之间大约经过了五、六周时间。但是,如果把这认为是诞生的日期,也许很难说是正确的,因为早在几年前,论据和建筑材料已经准备好了,虽然那时我还没有下根本的决心。”

 

的确,有关狭义相对论的思想概念在爱因斯坦的头脑里足足酝酿了整整10年。他后来回忆了自己思想的发展过程。

 

爱因斯坦从小就具有强烈的好奇心。当他还是一个四五岁的小孩时,父亲让他看一个罗盘,他为罗盘针以如此确定的方式行动而惊奇不已,并留下了深刻而持久的印象。在12岁时,一本欧几里得平面几何的小书使他经历了另一种性质完全不同的惊奇:书中的许多定理并非显而易见,但是却可以可靠地加以证明,没有丝毫怀疑的余地。爱因斯坦后来说:“这种‘惊奇’似乎只是当经验同我们的充分固定的概念世界有冲突时才会发生。每当我们尖锐而强烈地经历这种冲突时,它就会以—种决定性的方式反过来作用于我们的思维世界。这个思维世界的发展,在某种意义上说就是对‘惊奇’的不断摆脱。”

 

爱因斯坦在15岁时,有一位来自波兰的犹太大学生向他介绍了《自然科学通俗读本》一书。尽管该书的内容已显陈旧,但丰富的材料和生动的叙述仍使他出神地读完了它。在这本书中,他碰到了对光速这—自然现象的分析,这在12年之后对创立狭义相对论具有奠基性的意义。

16岁的爱因斯坦在瑞士阿劳州立中学上学时(1895年),他就无意中想到一个悖论:如果以光速追随一条光线运动,那么就应该看到,这样一条光线就好像一个在空间振荡而停滞不前的电磁场。可是无论依据经验,还是按照麦克斯韦方程,看来都不会发生这样的事情。从一开始,他在直觉上就很清楚,从这样一个观察者的观点来判断,—切都应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样,按照同样的定律进行。这个悖论又使爱因斯坦感到“惊奇”,他为此沉思了10年。

实际上,这个悖论已包含有相对论的萌芽。当时,爱因所坦还是比较偏重经验论的,热衷于用观察和实验来研究物理学的主要问题。第二年(1896年)进入苏黎世联邦工业大学后,他计划完成检测地球运动引起光速变化的实验,为此他设计出一个用热电偶测量两束方向相反的光所携带的能量差的实验。可是,他的老师不支持他,他也没有机会和能力建造这种设备,事情就这样不了了之。

 

其实,他也没有抱成功的希望,因为他对实验的结果疑虑重重。这时,他并不了解迈克耳孙-莫雷实验,即使后来知道这个实验,他也不会对该实验结果感到惊奇,因为这不过是确证了他的想法而已。可以看出,从很早的时候起,爱因斯坦就预想到相对性原理。

 

年青的爱因斯坦深思了光现象和电磁现象与观察者运动的关系,他花了些时间企图修正麦克斯韦方程,因为麦克斯韦方程在静止系中是正确的,在相对于静止系匀速运动的系统中就不正确了。但是他没有取得成功。

 

爱因斯坦还试图用麦克斯韦、洛伦兹方程处理菲索关于菲涅耳拖动系数的实验。他相信,这些方程是正确的,它们恰当地描述了实验事实,它们在运动坐标系的正确性表明了所谓光速不变的关系,可是这与力学中的速度合成法则却格格不入。爱因斯坦尝试用某种方法将力学运动方程和电磁现象统一起来,他遇到了困难。于是他不得不花一年时间冥思苦想,在那个时候,他甚至考虑了光的微粒说的可能性。

 

这些年,爱因斯坦致力于用下述途径修正麦克斯韦方程:他想得到一种电磁现象和光现象的理论,在这种理论中,只有相对运动才具有物理意义。他给自己提出了一个与理论形式而不是与理论内容有关的问题。直到1900年普朗克开创性的工作后不久,他发现辐射在能量上具有一种分立结构,当然这种结构是与麦克斯韦理论相矛盾的,这时他才清楚地意识到,只靠纯粹的经验是行不通的。因此,他对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了,他确信,只有发现一个普遍的形式原理,才能得到可靠的结果。

 

当然,要使麦克斯韦理论与相对性原理协调起来,不变更传统的时间观念是根本不行的。正如爱因斯坦所说,“只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里,那么任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试,都是注定要失败的。清楚地认识这条公理以及它的任意性,实际上就意味着问题的解决。对于发现这个中心点所需要的批判思想,就我的情况来说,特别是阅读了戴维?休谟和恩斯特?马赫的哲学著作而得到决定性的进展。”自从突破了传统的时空观念之后,爱因斯坦高屋建瓴、势如破竹,只用了五、六周时间就一气呵成了相对论的第一篇论文。

 

爱因斯坦19056月完成的论文“论动体的电动力学”(发表在19059月的德国《物理学年鉴》上)是物理学中具有划时代意义的历史文献。这篇文献好像“光彩夺目的火箭,它们在黑暗的夜空突然划出一道道短促的但又十分强烈的光辉,照亮了广阔的未知领域。”(德布罗意语)

 

这篇文献的标题是很朴素的,但是在读它时我们立刻注意到这篇文章和同一类文章大不相同。它既没有文献的引证,也没有援引权威的著作,而不多的几个注脚也只是说明性的。文章是用简明朴素的语言写成的,即使对内容没有深刻的理解也能看懂其中的—大部分。……文章的陈述方式和行文的格式今天谈起来还是那么生气勃勃。”(英费尔德语)

 

论文—开始,爱因斯坦就开门见山地提出了一个思想实验:当一个导体和磁铁相对运动时,在导体中产生的电流并不取决于两者那一个在运动。可是根据麦克斯韦理论,磁铁运动产生电场,而导体运动却不产生电场。爱因斯坦把这种不对称与企图证实地球相对于以太运动实验的失败联系起来,单刀直入地提出一种猜想:“相对静止这个概念,不仅在力学中,而且在电动力学中也不符合现象的特性。倒是应当认为,凡是对力学方程适用的一切坐标系,对于上述电动力学和光学的定律也一样适用。”接着便不假思索地说:“我们要把这个猜想(它的内容以后就称之为“相对性原理”)提升为公设”。紧接着又引入了另一条在表面上与前者不同的公设,即光速不变原理:“光在空虚空间里总是以一确定的速度c传播着,这速度同发射体的运动状态无关。”

 

由此,爱因斯坦便转入具体讨论,他在空间的各向同性和均匀性的假定下,给同时性下了可度量的定义,规定了校准时钟的三条逻辑性质。他接着论述了长度和时间的相对性,并得出结论:“我们不能给予同时性这个概念以任何绝对的意义;两个事件,从一个座标系看来是同时的,而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来,它们就不能再被认为是同时的事件了。”他接着又基于两条公设推导出一个变换方程。由这个变换方程,爱因斯坦方便地得到了长度收缩、时钟延缓的结论和新的速度合成法则。

 

在“电动力学部分”中,爱因斯坦还是以变换方程为根据,导出了带撇系统中的麦克斯韦方程,阐明了关于磁场中运动所产生的电动力的本性。这样,论文开头思想实验的不对称性以及一直争论不休的单极电机,现在也不成问题了。他从相对论给出了多普勒效应和光行差的说明,论述了光能和辐射压力的变换,导出电子运动的方程式。

 

利用光能变换,爱因斯坦于同年9月在论文“物体的惯性同它所含的能量有关吗?”中推导出著名的质能关系式:Emc?,其中c是光速。爱因斯坦得出结论:物体放出E的辐射能与它的质量只减少Ec?相当,因此物体的质量是它所含能量的量度。爱因斯坦预言,用那些能量变化很大的物体(例如镭盐)来验证这个结论,不是不可能成功的。

 

这篇不到三页的论文是物理学中演绎法的最完美的典范。爱因斯坦仅仅通过对两列反方向平面光波的思想实验的细致分析,就轻而易举地解释了放射性元素放出巨大能量的原因,为人类揭示出取之不尽、用之不竭的新能源。

 

探索自然界的统一性是爱因斯坦一生所追求的目标。他说过:“从那些看来同直接可见的真理十分不同的各种复杂的现象中认识到它们的统一性,那是一种壮丽的感觉。”狭义相对论的建立,使爱因斯坦统一性思想旗开得胜。这一新理论成功地揭出时间与空间、物质和运功、能量和质量、动量和能量(在四维世界中,能量和动量结合成“能量-动量矢量”,动量是这个矢量的空间分量,能量则是它的时间分量)的统一性,把经典力学和经典电动力学统一起来。这是人类理性思维的杰作。

 

  评论这张
 
阅读(93)| 评论(0)
推荐 转载

历史上的今天

在LOFTER的更多文章

评论

<#--最新日志,群博日志--> <#--推荐日志--> <#--引用记录--> <#--博主推荐--> <#--随机阅读--> <#--首页推荐--> <#--历史上的今天--> <#--被推荐日志--> <#--上一篇,下一篇--> <#-- 热度 --> <#-- 网易新闻广告 --> <#--右边模块结构--> <#--评论模块结构--> <#--引用模块结构--> <#--博主发起的投票-->
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

页脚

网易公司版权所有 ©1997-2017