数理化通俗演义:第71章 天马行空小职员发表高论 价值连城短论文装备大军(1)

第71章 天马行空小职员发表高论 价值连城短论文装备大军

——狭义相对论的创立(1)

上回说到以太说虽经多方改良但已很难维持局面，这时有人便干脆提出一个全新的革命学说，此人就是爱因斯坦。

1905年当物理学界正被天空出现的两朵乌云所困扰时，爱因斯坦正在瑞士伯尔尼专利局当一个三级小职员。他已经想清楚这个问题，提出了一个崭新的“相对论”。

各位读者，这相对论实在难懂，据说当时全世界只有3个人能弄懂它。爱因斯坦成名之后许多人慕名去听他的报告，但又常常听不懂，后来爱因斯坦也摸着这些听众的心理，总是在报告的前半部分讲些热情洋溢的话，然后宣布：“现在休息，那些对下面问题不感兴趣的女士、先生们可以退场了。”爱因斯坦很羡慕卓别林的电影拥有众多的知音。一次，他们见面了，爱因斯坦说：“卓别林先生，您真伟大，您演的电影全世界人人都能看懂。”那位幽默大师立即说：“您也很伟大，您的相对论全世界几乎没有几个人能够弄懂。”相对论如此难懂，我们就只好深理浅说，长话短叙，先简单交代几句再讲爱因斯坦的故事。

迈克尔逊实验证明，无论顺着还是逆着地球运动的方向光速都是一样。爱因斯坦就紧紧抓住这一点把它固定下来，叫光速不变原理。就是说光源无论是向我们跑来、离去或静止都不能改变光速。这是因为光源的运动造成光的频率和波长的改变，它们互相补偿，所以光速保持不变。这是爱因斯坦理论中基本的一条，有它为前提才能讨论以后的问题。这好像很难懂，但我们用实际生活中的例子一比也就十分清楚了。比如你原地不动，对面有人向你扔过一个皮球来。你能看见他的头、脸、身、手和皮球，这当然是因为光从他身上反射到你的眼里。如果按照经典的速度合成原理，球一出手后就有一个向你而来的速度，这时球反射到你眼中的速度是光速加球速，比球未出手前要快（多出一个球速）。但是这一“快”就糟了，你就会先看到正在空中的球，后看到拿在手里的球。如果真是这样，我们怎么能看篮球比赛呢，生活中的一切动作岂不都要颠倒过来？所以无论光源如何动，光速总是不变的。经典理论的速度合成原理一碰到光速就不适用了。在天文观察中也能说明这一点，有一种“双星”是在轨道上互相绕着运行，就是说某星一会儿向地球飞来，一会儿又绕走了，离地球而去。如果按速度合成原理这麻烦就更多了，这星会以光速加星速、光速减星速（星速对地球来说又在不断变）等不同速度接连送到我们眼里。我们看到的就不是一颗星，而是一大堆星的幻影了。

可是这种现象从没有发生，否则本来就够纷乱的星空就更是一锅粥了。当然，爱因斯坦还有许多具体的证明，我们这里不过是尽量从浅处说明罢了。

既然承认光速不变，我们就有了一个标准尺度，用这个尺度来量时间，这下可发现了一个大问题——原来时间却没有个固定标准，它是相对的，可变的。这就碰到了牛顿经典物理学最要害的地方。牛顿认为时间和空间都是绝对的，自从上帝将它创造好后就在那里安安静静地存在，独立地存在，与外界任何事物无关。

现在爱因斯坦说：不，在两个做匀速直线运动的参照系中，一切自然规律都是相对的。在这个参照系里观察是静止的，在那个参照系观察就可能是运动的，不单力学实验，连光学实验，任何实验也测不出绝对运动和绝对时间。因为我们用眼睛看表，看到的是表发来的光信号，而光的传播需要时间，我们所处的位置不同，看到的时间表面上相同，实际已经不同了。从月球到地球，光约走1.25秒，地球上红光一闪，一颗炸弹爆炸，在月球上的宇航员和地球上的人都“同时”看到了这一闪，可是实际上月球上的宇航员比地球上的人要晚看到1.25秒。我们平时总觉得同时，那是因为光速太快，这种误差根本觉不出来。所以爱因斯坦在给人讲相对论时常先在黑板上画一条白线，幽默地说：“请你们想象这是宇宙中的一条线，在这条线的每一个点上都挂着一块表。”他讲到高兴时常常过了点，便问前排的人现在几点，然后抱歉地说：“对不起，我给宇宙里的每一处都挂上一块表，可是没有能给自己口袋里挂一块表。”

在确定了光速不变，抛弃了牛顿的绝对时空观后，爱因斯坦得出这样几个重要结论。第一，便是看来很不可信的“钟慢尺缩”。就是说在运动中的钟会比静止时走得慢，尺子也会缩短。我们平时处在低速运动中当然不可能觉察，但是如果以每秒26万千米的速度运动时，一米的尺子就会缩成半米，地上过了一小时，运动中的时钟却才走了半小时。一个人要是坐上光子火箭到宇宙里去旅行，当他归来时会奇怪地发现，儿子已白发苍苍，而自己却还那样年轻。这样的试验我们当然还不能做，但是同样道理的实验却完全可以证明运动中的钟确实会变慢。前几回我们讲到原子的放射性时，已经知道了什么叫“半衰期”。某一种基本粒子的半衰期是固定不变的，因此我们可以把它看成是一个“钟”。根据相对论，运动粒子比静止粒子的半衰期就应该长一些，实验结果，从粒子加速器里出来的以接近光速的速度运动的粒子比其他静止的粒子确实衰变得慢。

相对论的第二个结论是揭示了质量和速度的关系，运动中的物体比静止时质量增加。第三个结论是讲质量和能量的关系，这就是那个极其著名的爱因斯坦方程：

过去我们讲过质量守恒定律和能量守恒定律，而爱因斯坦现在却把两个定律统一在一个公式里了。是能量，是质量，是光速。从公式中可以看出，每一点物质，只要它有质量（这是当然的），哪怕是石块、木棍、尘埃都含有极大的能量，因为光速是一个很大的数字。比如1千克煤，完全燃烧后只能放出3.35×1014千焦的热，这只是它所蕴藏的极小的一部分能量，如果能把它的全部能量都释放出来就有9.04×1014千焦。这相当于一个大城市几年消耗的电力。而每克物质所含的能量就有8.37×1011千焦。可惜我们现在还没办法将它们全部释放出来。

好，办不到的事我们先不去说它，但是自然界确实存在的事却可以来验证这个公式，很久以来人们一直不理解太阳为什么能如此长期地燃烧而不灭。开始人们解释说太阳就像一块大煤在持续燃烧，可是一算这块煤顶多够烧1500年，而太阳系已存在了几十亿年了。放射性发现后人们又猜测太阳是一块大铀在不断地衰变而放出能量，这样倒真可以持续几十亿年。但是，很可惜太阳不是铀构成的，正好相反它是氢、氮这类的轻元素构成的。到20世纪的二三十年代，人们用爱因斯坦的公式来解释太阳聚变释放能量的过程才圆满地回答了这个问题。这样，爱因斯坦的这个质能等价定律使经典物理学中不能称重的能量也变成可以称一称了。现在我们已经可以算出一个10瓦的灯泡每分钟发射的光轻于7×10—12克，但是每天太阳放出辐射能，其损失的质量将达4×1011吨。电磁场也可以称量，一个1米直径的铜球充电到1000伏的电势时，它周围的场重2×10—22克，一个普通实验室里的磁场重10—15克。热能也可称量，一升水在100℃时比同样数量的冷水重10—20克，一个两万吨级的原子弹所释放的总能量约重l克。