两个全新的基石假设
在对原有的物理学系统产生怀疑之后,爱因斯坦开始考虑第二步:如何树立新的基石假设。难以想象的绝妙之处在于,爱因斯坦的狭义相对论建立在两个新的基石假设之上:第一个基石假设是相对性原理,第二个基石假设是光速不变。在这两个基石假设的基础上,爱因斯坦成功地推导出了伟大的狭义相对论,从这个角度来讲,相对性原理与光速不变原理是狭义相对论这座桥梁的两个根基。
爱因斯坦提出的第一个基石假设是相对性原理[3],他认为,所有自然规律在同一惯性参考系[4]中都保持不变,这就是狭义相对性原理。该原理强调的是一种等价性,简单来讲,就是物理定律(或物理公式)在不同参考系下是不变的。
第二个基石假设光速不变[5]起始于爱因斯坦独特的思想实验。爱因斯坦年轻时就曾经设想,如果用光速去运动,或者说以人力去追一束光会怎么样呢?虽然从字面来看,这就像是一个小孩子的白日梦,但正是这个幼稚的问题让爱因斯坦发现了牛顿经典力学体系和麦克斯韦经典电动力学体系之间的逻辑失洽。
在经典力学体系中,假如我们开着一辆小汽车去追赶一辆火车,当我们的速度与火车的速度相同时,火车与我们是相对静止的。从这个逻辑出发,如果我们去追赶光,当我们的速度与光速一致时,我们应该可以看到静止的光或者电磁波。
但是在电动力学体系中,根据麦克斯韦方程组,无论我们是否可以达到光速,光自身的速度始终是不变的,即使我们追上了光,光也不会是静止的。牛顿经典力学与麦克斯韦电动力学在此处发生了逻辑失洽。爱因斯坦也是从这个问题开始思考,历经数年,无论学到什么学科或者看到什么书的时候,他都会思考这个问题。直到有一天,爱因斯坦突然灵感迸发,得出了他的第二个基石假设——光速不变。
说到这里,很多人可能会心存疑惑,光速不变的理论在麦克斯韦的经典电动力学中不是已经提出了吗?从物理现象这个角度来说确实如此,但爱因斯坦并不是发现了某种物理现象,而是注意到了光速不变原理的公理性质。对麦克斯韦来说,光速不变原理其实就是一个“光速=C”的数学公式,他可以应用这种定理进行电动力学方面的相关运算,但没有注意到这个定理的根基意义。而爱因斯坦是第一个发现了光速不变是物理学的第一性原理,也是所有物理学现象的绝对参考系的人。对我们而言,一句貌似正确的废话,对爱因斯坦而言,却是一场伟大的推演的开始。
从这个角度来讲,光速不变假设之于爱因斯坦,就如同惯性假设[6]之于牛顿,都是人类精神最伟大的成就。在《爱因斯坦传》中,有一段特别优美的文字描述了爱因斯坦发现光速不变这个公理:“爱因斯坦顿悟了光速不变重要性的那一刻,就好像宇宙中有一束光射中了爱因斯坦,也射中了我们整个宇宙。”所以,物理学以及一切以物理学为基础的学科或知识,能够在今天这个时代发展到现在的高度,至少有一半要归功于爱因斯坦当时获得的灵感。
与其说爱因斯坦是一位科学家,不如说他是一位自然哲学家,因为他根本既不需要实验,也不需要助手,只要自己一个人通过大脑的推演就可以进行思维实验。
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