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《破壞者！一路打洞的愛(ài)因斯坦！》
牛頓和愛(ài)因斯坦是物理界當(dāng)然的兩位翹楚，他們相差236歲，同樣不是天賦異稟的神童，同樣在生命中一個(gè)普通的年份發(fā)生知識(shí)大爆炸，同樣最后走上神壇成為了物理世界的泰山北斗。但是他們之間也有顯著的不同，或許用一首短詩(shī)可以很好的概括他們之間的最大差異。
當(dāng)牛頓取得了偉大的物理成就后，英國(guó)詩(shī)人波普曾寫(xiě)了一首詩(shī)贊美他：“自然界的規(guī)律隱藏在黑暗中，上帝說(shuō)，讓牛頓去吧，于是世界一片光明。”可是這首詩(shī)經(jīng)過(guò)了200多年，到了二十世紀(jì)卻被一些促狹的年輕人補(bǔ)充了后面一句話(huà)：“然而不久后，魔鬼說(shuō)，讓愛(ài)因斯坦去吧，于是世界重新回到黑暗之中?！边@個(gè)有趣的詩(shī)句形象的說(shuō)明了愛(ài)因斯坦和牛頓兩人帶給普通人感受上的一個(gè)最大不同：牛頓的理論，大家了解后，越想越覺(jué)得明白；愛(ài)因斯坦的理論，大家聽(tīng)到后，越想越覺(jué)得糊涂。今天我們就嘗試用淺顯的話(huà)為大家解釋一下牛頓和愛(ài)因斯坦各自的思想起源。這要從他們?cè)O(shè)計(jì)的兩個(gè)理想實(shí)驗(yàn)說(shuō)起。
牛頓的追光實(shí)驗(yàn)
牛頓一生最主要的功績(jī)是建立了經(jīng)典力學(xué)的完整框架，所謂牛頓三定律深入人心，現(xiàn)在的高中學(xué)生基本都能熟練掌握。當(dāng)把物理世界的行為用數(shù)學(xué)描述出來(lái)時(shí)，必然牽涉到坐標(biāo)系的引入，沒(méi)有坐標(biāo)就沒(méi)法定義空間。可是一旦出現(xiàn)坐標(biāo)系，就必須要處理不同坐標(biāo)系下的換算問(wèn)題。這在數(shù)學(xué)上不成問(wèn)題，但是在物理上就需要首先考慮清楚參考系問(wèn)題。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是需要回答對(duì)于不同的參考系，力學(xué)定律的適用性是否保持一致。
如果假設(shè)力學(xué)定律對(duì)所有的參考系都完全一致，那么不同參考系下的運(yùn)動(dòng)計(jì)算就變成了數(shù)學(xué)上最簡(jiǎn)單的向量運(yùn)算。而幸運(yùn)的是，我們的直觀(guān)感覺(jué)告訴我們，世界真的好像是這種最簡(jiǎn)單的情況。在伽利略時(shí)代，人們就意識(shí)到處在一個(gè)理想封閉空間里的人，是沒(méi)有任何辦法通過(guò)力學(xué)測(cè)量判斷出自己正在一列運(yùn)動(dòng)的火車(chē)上還是站在地面上，因?yàn)檫@兩個(gè)參考系中所有的力學(xué)表現(xiàn)都一樣。
不過(guò)這里有個(gè)前提條件，就是這兩個(gè)參考系必須相對(duì)是靜止或勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的。如果這個(gè)條件不滿(mǎn)足，不同參考系的力學(xué)定律就會(huì)出現(xiàn)差異。比如在一列加速變快的火車(chē)上，你只要掛起一個(gè)小球，就會(huì)看到小球向后揚(yáng)起一個(gè)角度，而在地面上小球?qū)⑹庆o止向下的。通過(guò)這點(diǎn)很容易區(qū)分出自己是在車(chē)上還是在地面?？梢?jiàn)對(duì)于加速運(yùn)動(dòng)的參考系來(lái)說(shuō)，力學(xué)定律適用性似乎出了點(diǎn)問(wèn)題。就拿這個(gè)飄起來(lái)的小球來(lái)說(shuō)，誰(shuí)給了它飄起來(lái)的力量呢？按照牛頓第三定律，力是物體與物體之間的相互作用，力必然是相互的。但是此刻對(duì)這個(gè)飄起來(lái)的小球，似乎我們只看到了它受力的表現(xiàn)，卻找不到施加力的對(duì)象。這該怎么解釋呢？
牛頓對(duì)此的解釋方法是增加了一個(gè)虛擬的力量：慣性力。什么是慣性力？牛頓認(rèn)為力學(xué)定律對(duì)一切慣性參考系保持適用，而在加速的非慣性參考系中，則不再適用。如果想讓非慣性系的力學(xué)定律和慣性系保持一致，那么必須引入一個(gè)虛擬的力量。就像上述例子中的小球，處在一個(gè)加速運(yùn)動(dòng)的火車(chē)車(chē)廂中，沒(méi)受到任何別的力量的牽引卻能夠飄起來(lái)就是因?yàn)槭艿搅颂摂M的慣性力。實(shí)際上，這節(jié)火車(chē)車(chē)廂中所有的物體都要受到這種慣性力，它就像一個(gè)力場(chǎng)，進(jìn)入其中就會(huì)受到其影響。發(fā)現(xiàn)了嗎，這個(gè)特點(diǎn)讓你想到什么？是不是很像地球引力的力場(chǎng)？是的，就是這種相似之處讓后來(lái)的愛(ài)因斯坦打開(kāi)了廣義相對(duì)論的腦洞，從而證明慣性力的這種場(chǎng)和引力場(chǎng)其實(shí)是一回事兒。
當(dāng)然這個(gè)時(shí)候的牛頓還沒(méi)有這種境界，他所說(shuō)的慣性力只是牛頓第二定律的一種等效表達(dá)方式，通過(guò)慣性力的引入可以讓非慣性系的力學(xué)形式和慣性系保持一致，如此而已。但是這里還有一個(gè)問(wèn)題需要解釋?zhuān)裁词菓T性系？定義中說(shuō)靜止或者做勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的參考系屬于慣性系，那這種靜止或者勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)最終是相對(duì)誰(shuí)而言，這總得有個(gè)基準(zhǔn)吧。牛頓早就給出了答案，他認(rèn)為這個(gè)永恒的基準(zhǔn)就是絕對(duì)時(shí)空。他說(shuō)“絕對(duì)的、真正的和數(shù)學(xué)的時(shí)間自己流逝著，并由于它的本性而均勻地、與任一外界對(duì)象無(wú)關(guān)地流逝著?！薄敖^對(duì)空間，就本性而言，與外界任何事物無(wú)關(guān)，永遠(yuǎn)是相同的和不動(dòng)的?！?/span>
為了說(shuō)明絕對(duì)時(shí)空的存在，牛頓設(shè)計(jì)了一個(gè)著名的水桶實(shí)驗(yàn)。假設(shè)一個(gè)木桶放滿(mǎn)了水，先靜止不動(dòng)，然后突然旋轉(zhuǎn)起來(lái)，轉(zhuǎn)了一段時(shí)間后，木桶突然停止下來(lái)。這個(gè)過(guò)程中，考察桶里面的水的狀態(tài)。開(kāi)始水面靜止，當(dāng)木桶突然開(kāi)始旋轉(zhuǎn)時(shí)，水在這個(gè)瞬間必然仍然保持靜止，隨著一段時(shí)間過(guò)去，水面被木桶帶動(dòng)轉(zhuǎn)起來(lái)，并形成彎曲的拋物面。當(dāng)水桶后來(lái)突然停止時(shí)，由于慣性，水面仍然保持拋物面，并在最后趨于平靜。這個(gè)過(guò)程中存在兩個(gè)特殊的狀態(tài)瞬間：水桶開(kāi)始高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，水面卻是平靜的；水桶突然停下時(shí)，水面卻是旋轉(zhuǎn)彎曲的?？梢?jiàn)水的狀態(tài)和木桶運(yùn)動(dòng)狀態(tài)無(wú)關(guān)，它只取決于水本身相對(duì)于絕對(duì)時(shí)空的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。
牛頓想用這個(gè)實(shí)驗(yàn)形象的說(shuō)明絕對(duì)時(shí)空的存在，然而他實(shí)際上沒(méi)有達(dá)到這個(gè)目的，因?yàn)樵缭谂ｎD的時(shí)代就有人提出了挑戰(zhàn)。這個(gè)人就是馬赫。馬赫是一個(gè)二流的物理學(xué)家，他唯一能讓今天人想起的就是馬赫這個(gè)速度單位，不過(guò)這不影響他對(duì)于牛頓提出的精彩質(zhì)疑。馬赫認(rèn)為絕對(duì)時(shí)空不需要存在，所謂的虛擬慣性力看起來(lái)也是畫(huà)蛇添足。慣性力不是沒(méi)有施加對(duì)象，只不過(guò)牛頓太笨沒(méi)有找到。慣性力的施加對(duì)象正是寰宇周天，萬(wàn)事萬(wàn)物。當(dāng)一個(gè)物體發(fā)生加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，地球、月球、還有其他各球，球星、球員還有酋長(zhǎng)加總在一起，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)合力，這就是慣性力。馬赫的回答很正確，因而排除了絕對(duì)時(shí)空存在的必要性，但是他沒(méi)有意識(shí)到，一旦絕對(duì)時(shí)空不存在，更嚴(yán)重的邏輯危機(jī)還在后面。在牛頓的體系中，慣性系的鑒別依賴(lài)于力學(xué)表現(xiàn)，而力學(xué)規(guī)律又依賴(lài)于慣性系的定義，這實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)邏輯循環(huán)。如果存在絕對(duì)時(shí)空，那么這個(gè)循環(huán)可以被打破；如果絕對(duì)時(shí)空被取消，這個(gè)循環(huán)將難以得到克服。實(shí)際上，牛頓正是用絕對(duì)時(shí)空來(lái)解決這個(gè)難題的，只可惜他的解釋方法錯(cuò)了，這個(gè)問(wèn)題的真正解決則要靠另一位大牛愛(ài)因斯坦來(lái)完成了。
愛(ài)因斯坦追光實(shí)驗(yàn)
有個(gè)有名的說(shuō)法，在十九世紀(jì)的最后一天，英國(guó)著名的物理學(xué)大師開(kāi)爾文勛爵在科學(xué)院新年大會(huì)上發(fā)表元旦致辭。他說(shuō)：物理學(xué)的大廈已經(jīng)基本建設(shè)完成，未來(lái)的物理學(xué)家只需要做一些修補(bǔ)工作和測(cè)量工作。不過(guò)整個(gè)物理學(xué)的晴朗天空上還是有兩朵烏云，一個(gè)是光以太問(wèn)題，一個(gè)是黑體輻射問(wèn)題。正是這兩朵烏云最后成為了二十世紀(jì)的物理風(fēng)暴，前者催生了相對(duì)論，后者催生了量子論。這個(gè)講話(huà)成為了物理學(xué)史上最經(jīng)典的預(yù)言之一。
關(guān)于這個(gè)段子我已經(jīng)在無(wú)數(shù)的期刊、網(wǎng)站、作品中看到過(guò)，然而他卻是不折不扣的段子。開(kāi)爾文勛爵的確在英國(guó)皇家學(xué)會(huì)發(fā)表了一次演講，但是時(shí)間在1900年4月27日，根本不是什么新年致辭。他演講的題目是：“熱和光動(dòng)力學(xué)理論上空的十九世紀(jì)的烏云”，根本沒(méi)談到物理學(xué)天空。更重要的是，這兩朵烏云的第二朵指的是能量均分學(xué)說(shuō)，而根本和黑體輻射無(wú)關(guān)?？梢?jiàn)，可能是太多人想把這篇經(jīng)典演講打造成一語(yǔ)猜中相對(duì)論和量子論的神奇效果而故意臆造出來(lái)這樣的說(shuō)法。但是用不科學(xué)的描述描述科學(xué)是不是本身就是一朵烏云呢？好了，我們今天要說(shuō)的倒是第一朵烏云：光的運(yùn)動(dòng)。
光是什么？在牛頓時(shí)代及之后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)光被認(rèn)為是微小顆粒組成的射流。正因?yàn)槿绱?，很早的時(shí)候，拉普拉斯就根據(jù)微粒模型正確的計(jì)算出了黑洞存在的可能性及質(zhì)量條件。他在《天體力學(xué)》的第一版和第二版都寫(xiě)入了關(guān)于黑洞的研究，只不過(guò)那個(gè)時(shí)候的黑洞叫做暗星，就像他在書(shū)中所說(shuō)：“這個(gè)世界上最明亮的星球卻很有可能因?yàn)榫薮蟮囊Χ究床灰?jiàn)?！钡堑搅诉@本書(shū)出到第三版的時(shí)候，黑洞的內(nèi)容卻被撤掉了，原因是神童托馬斯·楊通實(shí)驗(yàn)無(wú)可辯駁的證明了光是一種波動(dòng)。既然光是波動(dòng)，那么以粒子來(lái)看待光而得到的黑洞結(jié)論自然就被認(rèn)為是不正確的了。
光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)取得了極大的成功，但是卻有個(gè)致命的問(wèn)題出現(xiàn)，即傳播介質(zhì)問(wèn)題。聲音傳播需要靠空氣，水波傳播需要靠水面，光的傳播靠什么呢？靠以太，一種想象中的東西，大家不妨把它理解為一種特殊的氣。但是以太這個(gè)氣看不見(jiàn)，摸不著，所以必須設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證其存在。于是邁克爾遜-莫雷精心設(shè)計(jì)了光速變化實(shí)驗(yàn)希望驗(yàn)證當(dāng)?shù)厍蛟谝蕴@種氣體中穿行時(shí)，向不同方向射出的光線(xiàn)的光速應(yīng)該是有差異的。如果這種光速差異被實(shí)驗(yàn)捕捉到，就足以證明以太的存在。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果卻是不同方向的光速的差異不存在。對(duì)此只有兩種解釋?zhuān)剂钊穗y以接受。一種是以太不存在，光線(xiàn)的介質(zhì)找不到。另一種以太存在，但以太這種氣相對(duì)于地球沒(méi)有運(yùn)動(dòng)。這怎么可能？以太是彌漫在整個(gè)空間中的，地球在這種氣體中穿行，卻不產(chǎn)生任何相對(duì)運(yùn)動(dòng)，豈不是匪夷所思。
由于當(dāng)時(shí)經(jīng)典力學(xué)的強(qiáng)大正統(tǒng)地位，否定以太是不可想象的，兩洞相權(quán)取其輕，所以當(dāng)時(shí)的大多數(shù)人都圍繞著解釋地球?yàn)槭裁聪鄬?duì)以太能夠保持靜止去做文章。比如著名的洛倫茨就提出了，在邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)中其實(shí)光速是有變化的，只不過(guò)由于以太的壓縮作用，讓光線(xiàn)走過(guò)的距離變短了，所以抵消了光速變化。
洛倫茨的這個(gè)想法極大的啟發(fā)了愛(ài)因斯坦，光線(xiàn)走過(guò)的空間可能改變。對(duì)??！他敏銳地意識(shí)到這是解釋光速行為的關(guān)鍵。因?yàn)樗约涸?jīng)設(shè)計(jì)過(guò)一個(gè)理想實(shí)驗(yàn)，叫做追光實(shí)驗(yàn)。我的夢(mèng)中情人是一個(gè)蓋世英雄，有一天他會(huì)駕著五彩祥云來(lái)接我，和我一起以光速飛翔。這個(gè)時(shí)候我扭臉一看旁邊的圣光，卻發(fā)現(xiàn)光線(xiàn)此時(shí)是在一個(gè)固定的地點(diǎn)發(fā)生電磁震蕩卻不向前移動(dòng)一丁點(diǎn)。我當(dāng)時(shí)就懵圈了，電磁震蕩沒(méi)有空間移動(dòng)怎么能完成電磁場(chǎng)交替呢？我看到了這開(kāi)頭，就想到了這結(jié)尾：光線(xiàn)是不能追上的。
這就是我常說(shuō)的因果倒置的大腦洞?，F(xiàn)在的邏輯順序是：從光是波動(dòng)的認(rèn)識(shí)出發(fā)，以太一定存在。而根據(jù)經(jīng)典的牛頓時(shí)空觀(guān)，以太存在則光線(xiàn)在相對(duì)運(yùn)動(dòng)中異向的光速必然不同。而實(shí)驗(yàn)中光速不變，其原因只能是光走過(guò)的空間受到以太影響而發(fā)生了縮短。這一套解釋你不覺(jué)得太羅嗦了嗎？其中平白無(wú)故的引入了一個(gè)多余的、難以驗(yàn)證對(duì)象：以太。而這么復(fù)雜的解釋其所有目的只為了捍衛(wèi)經(jīng)典相對(duì)性?，F(xiàn)在如果把思路反過(guò)來(lái)，把因果倒置，直接認(rèn)為光速本來(lái)就是永恒不變的，那就不需要以太了，而順此推理下去，推翻的只不過(guò)是經(jīng)典的時(shí)空觀(guān)，最后得出的結(jié)論是速度有上限，時(shí)空可壓縮。這樣一切不就都得到完美的解釋了嗎？
不過(guò)如此一來(lái)，以太的環(huán)節(jié)雖然漂亮的剪掉了，但愛(ài)因斯坦就需要解釋光線(xiàn)在沒(méi)有介質(zhì)的情況下如何來(lái)傳播。光線(xiàn)可是波動(dòng)??！愛(ài)因斯坦的腦洞繼續(xù)大開(kāi)，誰(shuí)說(shuō)光線(xiàn)非得是波動(dòng)？光線(xiàn)不是波動(dòng)是什么？粒子??！牛頓時(shí)代就提出了光是粒子，現(xiàn)在拿回來(lái)繼續(xù)用就行。粒子的運(yùn)行自然不需要什么介質(zhì)，真空中也可以傳播。愛(ài)因斯坦正是基于微粒學(xué)說(shuō)，成功的解釋了光電效應(yīng)，并為此榮膺諾比爾物理學(xué)獎(jiǎng)?？墒堑鹊龋阏f(shuō)粒子就例子啊，那前面托馬斯楊等人做的實(shí)驗(yàn)難道是錯(cuò)的？這么經(jīng)典的實(shí)驗(yàn)當(dāng)然是無(wú)法置疑的，可是愛(ài)因斯坦的腦洞也真是足夠用，光線(xiàn)的本質(zhì)為啥非要二選一呢？不是波動(dòng)就是粒子？為啥不能同時(shí)即使波動(dòng)又是粒子呢？這不就可以解決問(wèn)題了嗎？這種怪異的特性還可以起一個(gè)好聽(tīng)的名字：波粒二象性。
聽(tīng)到這里，恐怕不太熟悉物理學(xué)的朋友也聽(tīng)明白了，愛(ài)因斯塔的套路就是先把人們認(rèn)定的板上釘釘?shù)囊蚬P(guān)系來(lái)個(gè)乾坤大挪移，然后顛倒的過(guò)程中，見(jiàn)山鉆洞，見(jiàn)水塔橋，最后稀奇古怪的搞出了一個(gè)解釋?zhuān)@就是著名的狹義相對(duì)論。難怪人們會(huì)說(shuō)，愛(ài)因斯坦的理論讓世界重回黑暗，其中的腦洞真是又大又多，不過(guò)用愛(ài)氏風(fēng)格的話(huà)來(lái)講，黑暗不就是另一種光明嗎？
SHE的歌曲里有幾句歌詞，我們稍加改動(dòng)引用到這里，我覺(jué)得非常像牛頓和愛(ài)因斯坦的內(nèi)心獨(dú)白：
手 不是手 是溫柔的宇宙
我這顆小星球 就在你手中轉(zhuǎn)動(dòng)
請(qǐng) 看見(jiàn)我 讓我有夢(mèng)可以做
我為你發(fā)了瘋 你必須獎(jiǎng)勵(lì)我
“你是風(fēng)，你是光，你是唯一的神話(huà)?！钡拇_，牛頓研究的是低速運(yùn)動(dòng)的風(fēng)，愛(ài)因斯坦研究的是高速運(yùn)動(dòng)的光，他們不僅是我們的神話(huà)，也是人類(lèi)的SuperStar。
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