爱因斯坦是相对论的唯一创建者

  赵峥,1967年毕业于中国科技大学物理系,1981年于北京师范大学天文系获硕士学位,1987年于布鲁塞尔自由大学获博士学位。曾任北京师范大学研究生院副院长、物理系主任、中国引力与相对论天体物理学会理事长、中国物理学会理事。现为北京师范大学物理系教授,理论物理博士生导师、教育学博士生导师。

  相对论诞生之前,洛伦兹在1904年给出了电子的质量公式。他是在研究电子在电磁场中的运动时提出这一公式的。根据这个公式,电子在运动时质量会增大。当时的一些实验,也支持运动电子的质量会增加的观点。

  爱因斯坦的相对论证明了质量公式的正确性。相对论认为,这一公式不仅对电子成立,对任何物体均成立。当物体速度增加时,它的动质量也会增加,当运动速度趋近光速时,动质量会趋于无穷大,真有点令人不可思议。

  目前,对于动质量能否算作质量有争议。一些科学家认为,只有静质量才是真正的质量,动质量不是真正的质量,只不过是个为了运算方便而引入的符号而已。持这种观点的好处是,质量将是一个常数。不过,如果动质量不算作质量,则必须放弃质量守恒定律。基本粒子的实验表明,一个电子与一个正电子相遇,会转化为两个光子。电子和正电子都有静质量,但变成光子后,静质量消失,光子只有动质量。如果动质量不算质量,则质量守恒定律将不成立。当然,光子还有能量,在这个实验中,能量守恒定律依然成立。

  爱因斯坦在论文中是赞成动质量是真质量的观点的。当然,有的研究材料说,爱因斯坦后来曾在私下表示过,可以接受动质量不算作质量的观点,但是他从来没有在公开场合或论文中说过动质量不算质量。

  爱因斯坦在1905年11月发表的有关相对论的第二篇论文中,提出了一个重要的公式E-mc2。这个公式称为质能关系式,它表明,质量和能量好像是同一事物的两个侧面,任何质量都含有能量,任何能量也都具有质量。人们把质能关系式显示的、物质蕴藏的能量称为固有能。

  质能关系式意义重大,它显示任何一块很小的质量都蕴含着难以置信的大量固有能。l克任何物质(例如水),它所蕴藏的固有能如果转化为光能和热能的形式,则相当于2万吨TNT炸药所释放的化学能。在日本广岛爆炸的那颗原子弹,造成了巨大的损害,其实只是相当于几克物质的固有能被转化成了光能和热能。

  相对论开辟了新的无止境的能量源泉。质能关系式告诉我们,自然界并不缺少能量,只是人类掌握它们的能力还不够。核物理的发展,证实了这个公式的正确性。

  相对论获得公认之后,一些人注意到,在相对论的发展过程中,许多人都有贡献。

  在相对论诞生之前,洛伦兹提出了洛伦兹收缩和洛伦兹变换,洛伦兹变换正是相对论的核心公式。洛伦兹还给出了电子质量公式。

  庞加莱首先正确阐述了相对性原理,一直坚持认为相对性原理不应放弃。他猜测真空中的光速是一个常数,而且光速很可能是极限速度。他还建议通过光速来校准不同地点的钟,使它们同时、同步。

  显然,洛伦兹和庞加莱都对相对论的诞生做了重要的铺垫工作。

  实际上,作出贡献的还不光他们。洛伦兹是在1892年提出洛伦兹收缩的,但最早提出这一公式的是爱尔兰物理学家斐兹杰惹。他声称自己早就在课堂教学中给出了这一公式,早于洛伦兹。他的学生们都力证这一点。但当时看到的他公开这一公式的文章发表在1893年,晚于洛伦兹。斐兹杰惹去世后,他的学生为了给老师讨还公道,四处搜寻证据。他们想到老师以前曾给英国的《科学》杂志写过一封信,谈到这一收缩公式。但信寄出不久,这一杂志就倒闭了,斐兹杰惹以为该杂志没有来得及刊登这封信,也就没有强调这一证据。他去世后,那些忠实的学生们终于发现,该杂志在倒闭前的倒数第2期上,刊登了这封信。那期杂志发表在1889年,早于洛伦兹的论文。所以,现在人们把洛伦兹收缩称为洛伦兹-斐兹杰惹收缩,有人还建议应该称作斐兹杰惹-洛伦兹收缩,因为斐兹杰惹发现这一公式比洛伦兹早。

  最早给出洛伦兹变换的也不是洛伦兹本人。1887年佛格特就给出了一个类似的变换,但各项都差了一个因子。1898年,拉摩首先给出了洛伦兹变换的正确公式。据说斐兹杰惹也早于洛伦兹得到这一变换。洛伦兹本人则是在1904年才给出这一变换的。

  但必须承认,无论是洛伦兹收缩还是洛伦兹变换,提出较为完整的理论(虽然有错误)并造成最大学术影响的还是洛伦兹本人。

  庞加莱对爱因斯坦的影响是巨大的。爱因斯坦在奥林匹亚科学院时期就曾阅读过庞加莱的《科学与假设》等著作。在爱因斯坦建立相对论的文章中,不难发现庞加莱的影响。

  然而真正完成思想突破,构建起相对论的人只有爱因斯坦一个人。

  洛伦兹坚信绝对空间和以太,主张放弃相对性原理。庞加莱否认绝对空间的存在,坚持相对性原理,但他仍抱住以太理论不放。承认以太,实质上还是承认绝对空间,以太本身就是绝对空间的实体。只有爱因斯坦一个人,不仅抛弃绝对空间,也抛弃以太。所以,只有爱因斯坦最彻底地坚持了相对性原理。这一点,是他深受马赫影响的结果。马赫认为,凡是看不见摸不着的东西,都不能承认共存在,他认为既不存在绝对空间,也不存在以太。马赫的观点深刻地影响着爱因斯坦,引导他走向了狭义相对论的创建,后来又引导他走向广义相对论的创建。

  我们要特别提出的是,爱因斯坦与包括洛伦兹、庞加莱在内的所有学者的最大不同是他提出了光速不变原理。由于发现这一原理,他终于认识到“同时”不是一个绝对的概念,而是一个相对的概念。在作相对运动的不同惯性系中,同时不是绝对的,而是相对的。一个惯性系中同时发生的异地事件,在另一个相对于它运动的惯性系中看就不是同时发生的。

  爱因斯坦认为,相对论与牛顿物理学的分水岭,不是相对性原理,而是光速不变原理。光速不变原理直接导致了同时的相对性。同时的相对性是相对论的核心观念,也是最难让人弄懂的概念。

  爱因斯坦是光速不变原理及其推论同时相对性的唯一发现者。

  洛伦兹不承认相对论是自己的理论。他最初反对相对论,后来才慢慢承认了相对论的正确性。

  庞加莱则至死都没有承认相对论的正确。爱因斯坦刚提出相对论时,曾经指望得到数学大师庞加莱的支持。他在一次索尔维会议上见到了庞加莱(这是这两位伟人的唯一一次见面,不久后庞加莱就去世了)。可开完会回来后,爱因斯坦很沮丧,对他的朋友说:“庞加莱根本不懂相对论。”看来庞加莱没有赞同他的理论。

  后来,苏黎世大学准备聘请爱因斯坦当教授,写信征求庞加莱的意见,庞加莱回复说:“爱因斯坦先生是我所知道的最有创造思想的人物之一,尽管他还很年轻,但已经在当代第一流科学家中享有崇高的地位……不过,我想说,并不是他的所有期待都能在实验可能的时候经得住检验。相反,因为他在不同方向上摸索,我们应该想到他所走的路,大多数都是死胡同;不过,我们同时也应该希望,他所指出的方向中会有一个是正确的,这就足够了。”后来的研究表明,历史与这位数学大师开了一个极大的玩笑:爱因斯坦在1905年指出的所有方向都是正确的。

  深深影响过爱因斯坦的马赫,曾受到爱因斯坦的高度评价,但他也没有支持相对论。当时马赫还活着,他听到爱因斯坦的工作后,表示“爱因斯坦的相对论和我的思想毫无共同之处,我断然拒绝他的相对论。”真是大煞风景。不久之后,马赫就去世了。

  综上所述,我们看到,虽然有很多人作了许多前期贡献,但爱因斯坦是相对论的唯一创建者。对于这种情况,杨振宁先生曾有过精彩的评价:“洛伦兹只有近距离的眼光,没有远距离的眼光庞加莱只有远距离的眼光,没有近距离的眼光;只有爱因斯坦具有自由的眼光,既近距离又远距离观察问题。”所以他成为了相对论的唯一创建者。


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