对牛顿力学体系的质疑
在爱因斯坦之前,牛顿的经典力学从1687年一直到20世纪初都是物理学的根基。在这段时间里,所有物理学家都是在牛顿建立的经典力学这个第一性原理的基础上进行研究,然后填充物理学的内容。
在沃尔特·艾萨克森(Walter Isaacson)所著的《爱因斯坦传》中,记载着这样一个故事:19世纪的最后一天,欧洲的顶级物理学家汇聚一堂,其中最受人尊敬的被称为“开尔文[1]勋爵”的英国物理学家威廉·汤姆逊(William Thomson)讲了一句话,“物理学的大厦已经落成,剩下的就是一些装修装饰工作而已”。从当时的时代背景来看,汤姆逊会产生这种认知并不奇怪,因为经典物理学确实在牛顿经典力学的基础上,形成了相对完整的系统。但他没有想到的是,经典物理学走到尽头之后,还有理论物理学的崛起。
汤姆逊的话言犹在耳,仅仅5年之后,26岁的爱因斯坦便横空出世。当时,他不过是瑞士专利局的一个三等技师,但是那一年他一共发表了6篇论文,其中有4篇被誉为“天神级”论文。通俗地讲,这4篇论文中的任意一篇都有获得诺贝尔物理学奖的潜力。正是这些论文开启了物理学研究的新时代,因此,学术界又把1905年称为“爱因斯坦奇迹年”。
虽然关于那一年爱因斯坦所创造的成就,很多资料中都有详细的记录。但是从目前来看,关于爱因斯坦如何创造出这些奇迹般的理论的具体过程,我们能够了解到的事情还是凤毛麟角,但这并不妨碍我们用破界创新的方法分析爱因斯坦创造狭义相对论的具体过程。
在爱因斯坦之前,物理学经历了两次伟大的统一:第一次是牛顿统一了天上和地上的引力;第二次是麦克斯韦统一了电力、磁力和光。
在经典力学被创造出来之前,人们对于事物运动的认知主要受到亚里士多德的理论的影响。他认为天上星体运动的规律和地球上物体运动的规律是不同的,亚里士多德把这两种运动方式分别命名为“月上世界”和“月下世界”[2]。一直到牛顿创立经典力学系统,地外的行星运动规律和地球上的物体运动规律才得以统一。简单来说,经典力学系统既可以解释地球为什么绕着太阳转,也可以解释为什么苹果会掉到你的头上。
美国的畅销书作家詹姆斯·格雷克(James Gleick)在《牛顿传》中曾经这样评价他的经典力学体系,他说牛顿把天上和地上打通的难度不亚于今天的科学家把量子力学和相对论打通的难度。而截至今天,量子力学与相对论也没有完全被打通。所以,牛顿当年以一己之力通过引力找到了经典力学的万物至理,不可谓不伟大。
除了牛顿,另外一个实现了物理学分支系统统一的人是英国的物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦(James Clerk Maxwell)。与牛顿的贡献不相上下,麦克斯韦创立了经典电动力学,用电磁场理论将电学、磁学和光学统一起来,他用一组极简的方程将看不见的电力、磁力和光全部推导出来。如果没有麦克斯韦方程组,今天的电力学以及一切与电相关的所有事物可能都不会出现或者会推迟出现。
从物理学的整体系统出发,在爱因斯坦之前,这个物理学系统的万物至理实际上就是牛顿的经典力学和麦克斯韦的经典电动力学,而这两个定理也是爱因斯坦所要打破的隐含假设。在实际工作中,打破隐含假设,首先要判断原有的系统是否逻辑失洽。
爱因斯坦的传奇经历就起始于他发现了一件事情,在物理学系统中,牛顿统一了天上与地上的引力,而麦克斯韦统一了电力、磁力和光,但爱因斯坦发现牛顿和麦克斯韦的理论并不能相互验证。换句话说,麦克斯韦方程组和牛顿力学之间存在逻辑失洽的现象,这种问题的出现致使爱因斯坦开始质疑牛顿力学,并促发了狭义相对论的萌芽。
其实,爱因斯坦并不是第一个发现这个问题的物理学家,但其他大多数发现这个问题的科学家都认为力学和磁学实际上分属两个不同的系统,所以出现逻辑失洽属于正常现象。作为拥有成为顶级物理学家潜力的人,爱因斯坦从一开始就认为无论是引力、电力还是磁力,从本质上讲,它们都属于自然世界中的某个系统,所以这两个理论之间应该有某种更根基层次的逻辑自洽。
在《爱因斯坦传》中,有这样一段话描述了爱因斯坦在发现这种逻辑谬误之后的个人感受,“这些冲突使爱因斯坦精神紧张,坐卧不安”。当时的爱因斯坦不过是一个刚刚步入物理学殿堂的年轻人,他会因为两个宗师级人物的理论逻辑相悖而产生危机感。由此可以看出,爱因斯坦在物理学领域中有所谓的天才性的敏感。这就是爱因斯坦打破隐含假设的第一步。
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