当前位置:热点 > 正文

爱因斯坦建立了广义相对论是他的功劳?

2019-09-12 09:35:12  来源:环球科学

1909年,在德国的《物理杂志》(Physikalische Zeitschrift)期刊上,一位物理学家独立发表了一篇看起来很不起眼的论文。这位作者也不是什么大学教授,论文看起来也很简单,用到的数学不超过中学水平。但就是这篇论文,却让爱因斯坦找到了其思想链条中缺失的关键一环,也直接帮助爱因斯坦提出广义相对论。

这篇论文的题目是《刚体的匀速转动与相对论》。

(图片来源:专著Relativity in Rotating Frames)

(图片来源:专著Relativity in Rotating Frames)

作者只有一个人,名叫保罗·埃伦费斯特(Paul Ehrenfest)。而论文的通讯地址,只写了圣彼得堡。这是因为,博士毕业的埃伦费斯特在当时没有工作,他在1907年搬迁至圣彼得堡,正是为了在那里找工作。

这篇论文写得很简单,但涉及到了狭义相对论背后的深层次矛盾。正是在这篇论文的启发之下,爱因斯坦推出了广义相对论。

狭义相对论诞生

1880年,埃伦费斯特出生在奥地利维也纳的一个犹太家庭,他的父母是开杂货铺的。埃伦费斯特比爱因斯坦小一岁,小时候的家境也比爱因斯坦要差一些。

1899年,19岁的埃伦费斯特进入维也纳工业大学,主修化学。同时,他也在维也纳大学上课,跟随统计物理学大师、原子理论与熵理论领导者玻尔兹曼学习分子运动论。这段跟随大师学习的经历,为埃伦费斯特打下了很好的基础。

埃伦费斯特(图片来源:wikipedia)

埃伦费斯特(图片来源:wikipedia)

1903年的春天,埃伦费斯特坐上了一趟开往荷兰莱顿的火车。也不知道是去玩还是去找工作,总之这一次旅行改变了他的命运,因为他在火车上认识了当时荷兰最著名的物理学家洛伦兹。与洛伦兹成为朋友后,他开始注意到洛伦兹的研究工作有很多狭义相对论的朦胧思想。当时,这部分工作主要是洛伦兹、庞加莱等先驱者在做,还没爱因斯坦什么事。

到了1905年,爱因斯坦后来居上,发表了关于狭义相对论的论文《论运动物体的电动力学》。这篇跨时代的文章澄清了洛伦兹与庞加莱的思想混乱,基本奠定了整个狭义相对论的基础(主要是提出了绝对静止的惯性参考系不存在的思想)。爱因斯坦的论文得到了德国物理学大师普朗克的力挺,加上普朗克的弟子劳厄等人的传播,学术圈开始慢慢接受了狭义相对论。

狭义相对论包含了一个离经叛道的思想:同一列火车,运动时比静止的时候更短。这个思想被称作洛伦兹收缩,这是由洛伦兹发现的数学公式,但其物理意义是由爱因斯坦阐释清楚的。

埃伦费斯特正是在此基础上,开始介入狭义相对论的研究。而且他目光如炬,很快就发现狭义相对论有点毛病。

埃伦费斯特

在爱因斯坦阐述洛伦兹收缩之后,大家考虑运动物体的长度收缩时,一般考虑的是平动,而很少考虑转动。埃伦费斯特则独辟蹊径,他考虑的是转动的物体。这时,他发现狭义相对论好像有点问题。

于是,1909年,他在《物理杂志》发表论文,提出了所谓的“转盘实验”。

这是一个思想实验:在一个匀速旋转的圆盘上,我们在各个位置放上任意方向的尺子。我们很容易知道,盘子外侧的速度大,而内侧的速度小。因此,不同尺子的洛伦兹收缩程度是不一样的。

如果尺子的静止长度是L0,切向运动速度是V,那么,圆盘运动起来以后,尺子的长度记作L1。如果我们记光速为C,则运动前后尺子长度的关系是:

所以,切向运动速度V越大,则整个尺子的长度L1就越小。换句话说,图中测量直径的纵向尺子不收缩,而紧贴圆盘边缘、记录周长的切向尺子收缩最为明显。

这就引起了一个问题:如果计算这时的圆周率,会发现圆盘的周长变小了(在地面静止参考系看来),但半径却不变。因此,这时计算出来的圆周率将小于3.1415926……(这里我们只讨论大致的物理思想,不涉及计算细节。如果要计算这个转盘参考系的物理细节,则需要用到比较复杂的微分几何知识,因为这个转盘参考系不是一个超曲面正交的类时矢量场,情况比较复杂。建议读者参考梁灿彬教授编著的相关书籍,这里不再展开。)

这是埃伦费斯特当时的朦胧想法,他觉得要么圆周率有问题,要么就是狭义相对论在处理旋转运动时有点毛病。于是,他把这个事情写成论文,发表出去了。

随后,这篇文章引起了爱因斯坦的注意。爱因斯坦意识到,这个实验说明,从数学上来说,一个旋转的参考系似乎等价于一个弯曲的空间(对球面或者马鞍面上的分析可以知道,弯曲空间中的圆周率同样不等于3.1415926……)。

同时,从物理上说,旋转的参考系是非惯性系,而非惯性系可以通过加上一个惯性力变成惯性参考系。综合数学层面与物理层面,爱因斯坦提出,惯性力可以导致空间的弯曲。这在当时是一个巨大的思想变革。

在之前的1907年,爱因斯坦已经通过自由下落的电梯将惯性力与引力等效起来了。现在,有了这个将惯性力与弯曲空间联系起来的思想,爱因斯坦很容易就把引力与弯曲空间联系起来,打通了学术上的“任督二脉”。在此基础上,爱因斯坦最终提出了广义相对论的基本思想,那就是引力等价于空间弯曲。

埃伦费斯特之死

1912年,埃伦费斯特在布拉格第一次遇见了爱因斯坦,从此以后他们成了好朋友。爱因斯坦内心深处很感激埃伦费斯特提出的这个转盘实验。由于爱因斯坦正好要去母校苏黎世理工大学工作,他建议埃伦费斯特继承自己在布拉格大学的职位,但布拉格大学没有接受埃伦费斯特的职位申请。

1912年8月,洛仑兹辞去了在莱顿大学的教授职位,并指定埃伦费斯特为他的继任者。这样,埃伦费斯特才在荷兰稳定下来。这时埃伦费斯特32岁,还算年轻。

在莱顿大学,埃伦费斯特在统计物理学的相变理论中做出了杰出贡献。在量子力学中,也有一个以他名字命名的定理。十年后,在学术上造诣更深的埃伦费斯特取得了荷兰国籍。

但与他的老师玻尔兹曼一样,最后埃伦费斯特选择了自杀。

1933年9月25日,在荷兰的阿姆斯特丹,埃伦费斯特枪杀了自己的儿子,然后自杀。至于原因,埃伦费斯特的儿子患有唐氏综合征,他本人也患上了严重的抑郁症,这给埃伦费斯特带来了巨大的痛苦。

埃伦费斯特的离世是物理学历史上的一个悲剧,作为一个物理学家,他的贡献彪炳史册,其对爱因斯坦创立广义相对论所带来的影响,也不应该被忘记。

关键词: 爱因斯坦 广义相对论

推荐阅读

运动型轿车是什么 运动型轿车与普通车有何区别?

运动型轿车凭借着外观酷炫,动力性能强的特点,深受国内众多消费者的喜爱。特别是在年轻消费者心目中,运动型轿车基本上是购车的首选。但是 【详细】

汽油清洗剂是什么 汽油清洗剂加在汽油里是干嘛的?

最近有很多车主反映加油的时候总是建议用汽油清洁剂。但是,大部分人还是不太了解,还有就是一部分人纳闷汽油清洗剂加在汽油里是干嘛的?汽 【详细】

中国最便宜的汽车是哪个 最便宜的汽车汇总

现在汽车已经成为了大家最常见的交通代步工具了。但是,依然还是有很多的家庭非常的需要代步工具,却买不起特别贵的汽车。所以今天,我们就 【详细】

伊莱克斯冰箱质量怎么样 伊莱克斯冰箱质量好不好?

伊莱克斯冰箱质量怎么样:在2018年全球500强企业中,伊莱克斯排名第162位,在2020年全球2000强企业中,伊莱克斯排名第1965位,可见伊莱克斯 【详细】

劳动保护用品是什么 劳动保护用品有哪些?

劳动保护用品有哪些?劳动防护用品分为特殊劳动防护用品和一般劳动防护用品,一般劳动防护用品是指未列入目录的一般劳动防护用品。以下产品 【详细】

相关新闻

关于我们  |  联系方式  |  免责条款  |  招聘信息  |  广告服务  |  帮助中心

联系我们:85 572 98@qq.com备案号:粤ICP备18023326号-40

科技资讯网 版权所有