从牛顿力学的危机到对相论的建立.docVIP

从牛顿力学的危机到相对论的建立——谈寻找以太的实验 　　“迈克尔孙－莫雷寻找以太的实验是物理学史上最著名的实验之一，它曾经是让所有人充满希望的实验，也是几乎让所有人绝望的实验。它的彻底失败直接导致了牛顿力学的空前危机，并终于在二十世纪初引发了人类时空观的彻底变革……” 　　（一） 　　还是从中学物理课本上引用的伽利略的那段话开始说起吧，“……在匀速行驶的船中，水滴依然垂直下落，而不会偏向船尾：你向不同方向抛投物体，尽管物体飞行时船在前进，但你不会发现向船尾比向船头容易抛得更远……你无法根据舱内的任何现象来确定船是在正常的航行或是停在岸边。” 　　伽利略无疑是历史上认识到在一个匀速运动的参考系和一个静止的参考系上作任何实验结果都不会有差别的第一人。而大物理学家牛顿更是看到了这一观点的深刻意义所在。他一直在思考自己的牛顿三定理究竟普适到何等程度。终于，在他的著作自然哲学的数学原理》一书中牛顿从哲学的高度解决了自己的困惑。他认定存在着一个绝对静止的空间，在这个空间里时间是均匀地流逝着的。在其他所有相对这个绝对空间匀速运动的参考系里面力学规律（他的三定律）都是适用的，正如我们大家所熟知，这种参考系叫惯性系。如果是非惯性系（相对绝对空间存在加速度的参考系）怎么办？牛顿也不慌不忙地引入了惯性力的 概念，即在非惯性系内的受力物体另加上一个与加速度反方向的惯性力即可。于是，处在一个自由下落电梯中的我们，就可以心安理得地这样解释自己的失重：我们的身体除了向下受到的重力以外，还受到与电梯（非惯性系）的加速度相反方向的惯性力了。两种力方向相反，大小相等，刚好扯平，所以我们感受不到重力是很自然的事情了。 　　牛顿的理论是天衣无缝的，至少在他那个年代的科学家们看来如此。伟大的牛顿不仅在一团迷雾中指清了光明的所在，而且更重要的是，他给了所有人以强大的信心。生活在牛顿时代的物理学家几乎是历史上最单纯幸福的一代。在伟人牛顿的光环笼罩之下，他们几乎不用再担负任何哲学上的艰涩思考而放手拓展数学在物理学上的应用， 一批批数学物理大师滚滚而出， 拉各朗日（J.L.Lagrange）， 拉普拉斯（P.S.Laplace）， 哈密顿（W.R.Hamilton）， 泊 松（S.B.Poisson ），直至后来登峰造极的麦克斯韦（J.Maxwell）。从古到今对物理学真正最具信心的也是这代人，从来也没有人像他们那样自负（或者说狂妄 ）过，这其中典型的如拉普拉斯。 　　当年在法国皇帝拿破仑举行生日庆典的宴会上，大物理学家拉普拉斯把自己的新作《天体力学》一书毕恭毕敬呈给了皇帝预览。这位拉普拉斯大人在物理学和数学上学识相当了得，但究其人品实在平平，从雅各宾派专政到如今的拿破仑皇帝，他自己也搞不清向多少人宣誓效忠过了，其实从他热衷献寿礼这件事本身就可看出端倪。不料这次皇帝翻了翻他的书，却十分不满地问道，拉普拉斯，我翻了这许多页，你怎么只字没有提到上帝？即使是卑躬屈膝已经成了习惯的拉普拉斯，这次也终于挺直了腰杆，自豪地回答道，“陛下，我的假设中并不需要上帝。” 　　拉普拉斯不愧是个解偏微分方程的高手，他那著名的宣扬拉普拉斯决定论的豪言壮语也带有偏微分方程特有的味道，“如果有人能告知我整个宇宙诞生初期的条件和宇宙边界的条件，我甚至可以计算出整个宇宙的演化历程！”这等几乎是疯子的言语，在当时却激起一大片的轰然喝彩之声。阿基米德曾经也声称给他一个杠杆他能撬起整个地球，那不过是夸张地形容了一下杠杆的威力而已，阿基米德本人也未必打算亲自尝试。而这次拉普拉斯的“嚣张”竟然使得人人跃跃欲试！每一个沉醉在牛顿力学辉煌胜利中的人都是同样的想法，拉普拉斯的话原则上并非没有道理，以后的物理学家们只需沿着伟人牛顿指引的路走下去便是，甚至根本不须出什么才能特异之士，只要有几代人在数学计算上的平庸积累之后，物理学就会成为一个历史名词了。 　　现在想来，拉普拉斯等人的狂妄也着实太过了些。早在1889年，法国的大数学家，物理学家庞伽莱（H.Poincare）在解决看似很简单的三体问题（三个物体在相互引力下的运动）时就发现纵然力学方程可以很快的列出，而我们始终是不可能找到完美的解析解的，而且他发现解的结果对初始条件极其敏感，任何初条件的细微变化最终会导致整个系统的混乱无序，顺着这条路走下去就是从上世纪六七十年代一直红到今天的混沌科学。这个算是给拉普拉斯决定论第一个耳光。更响亮的还在后面，那是1920年前后以玻尔为代表的哥本哈根学派创立的以几率诠释为根基的量子力学。至死坚持拉普拉斯决定论的爱因斯坦忍无可忍，与玻尔一派展开了一场哲学上的激烈争论。其实即使是爱因斯坦这些决定论的忠诚捍卫者，他们头脑中的时空观与拉普拉斯的也完全不可同日而语。总之后来这些曲折离奇的变故，纵使第一智者牛顿泉下有知，也会惊得目瞪口呆