爱因斯坦26岁为什么能提出相对论?

光速不变原理实际上是爱因斯坦相对论的基础,相对论是建立在两条基本假设至上的科学理论,这两条基本假设,其中之一是光速不变原理,另外一个就是相对性原理。

相对性原理实际上就是我们初高中所学的参考系的一些相关知识,在这里就不赘述了。今天,我们来详细聊一聊:光速不变原理是咋来的?

关于光速的论战

关于“光到底跑多快”这个问题,自古以来就有很多的猜想和实践,第一个提出测光速并且真的去做这个实验的人是伽利略。伽利略找了两座山,然后一边点亮手里的灯,另一边看到后,立马点亮自己手里的灯,通过这样一来一回,我们可以计时,两座山之间的距离除以时间,再乘以2,就可以得到结果。

如今我们来看伽利略这个实验,可能会觉得这个实验想当然了,毕竟光速可是3*10^8m/s,一秒钟可以绕地球7圈半。事实也是如此,伽利略并没有成功地测出光速来。

不过科学家并没有放弃测量光速,除了测量光速,科学家们也一直在探讨光到底是什么?

最早,牛顿就提出了自己的观念,他除了《自然哲学的数学原理》这本巨著之外,还有一本光学的奠基之作《光学》,在这本著作中,牛顿提出光是一种粒子。

牛顿当时在学术圈是绝对的霸主地位,没有人敢来挑战他的权威,因此,当时的主流学术观点就是:光是一种粒子。当然,当时也有像惠更斯和胡克这样的学者认为:光是一种波。

事情的转折发生在牛顿之后的150年左右,当时有个人叫做托马斯杨,他做了一个杨氏双缝干涉实验。

这个实验实际上是很神奇的,它指引着人类创建了量子力学,不过这都是后话了。杨氏双缝干涉实验,在那个时代是“光是一种波”的强有力证据。这是在实验上,但从理论上,科学家也搞出了一套理论,这就是大名鼎鼎的麦克斯韦方程。

麦克斯韦通过这个理论,统一了电和磁,让我们知道电和磁其实是一个东西。同时,麦克斯韦预言了电磁波的存在,以及光是一种电磁波。

随后,赫兹通过实验证明了麦克斯韦的观点,应该说,截止于目前为止,光的波动说完全占据了上风。

牛顿 vs 麦克斯韦

当然,这个新鲜出炉的理论,解决了几乎所有的电磁学现象,但却和牛顿力学发生了矛盾。这是因为麦克斯韦方程可以推导出光速的表达式:

1/ε0μ0

。其中ε0是真空介电常数,μ0是真空磁导率,它们都是常数项,也就是说,光速也应该是一个常数。

可我们要知道的是,根据牛顿力学,任何物体的运动其实取决于选取的参考系,不同的参考系下,运动状态都有可能是不同的。

可麦克斯韦的理论似乎预示着光速是超越参考系而存在的,它在任意惯性参考系的速度都应该是一致的。当时的学者也懵了,毕竟两个理论都是极其准确的。于是,他们就在想,如果光是一种波,那它的传播应该像水波那样需要介质的存在,水波的介质就是水。

当时的学者就把光波传递的介质叫做以太。不过,这是纯粹地科学假设,到底存在不存在还得依靠观测实验。于是,许多科学家投身于验证“以太是存在”的实验中。结果出乎了所有人的意料,他们的实验纷纷指向了一个结果:以太不存在。

26岁的少年

当这个结果出来后,当时大多数的物理学家都是不想放弃现有的理论,还在想各种办法来补救。此时有个专利局的三级专利员在1905年陆续发表了多篇论文,其中有两篇被称为狭义相对论。这个专利员就是26岁的爱因斯坦。

这两篇论文中,爱因斯坦放弃了“以太假说”,并且提出了“光速不变原理”,也就是遵照着麦克斯韦理论推导的结果,光速在任何惯性参考系下都不变。加上相对性原理,就推导出了狭义相对论。

因此,光速不变原理的提出,在某种程度上说是为了调和两个理论体系(牛顿力学和麦克斯韦电磁学理论)的矛盾。只是在调和的过程中,爱因斯坦以此为基础,直接提出了一套全新的理论,而且适用面要比牛顿理论更广。

当然,爱因斯坦通过光速原理推导得到了物质、信息、能量的传递速度不能超过光速。这其实也是爱因斯坦留给其他科学家来证伪相对论的一个角度。但是100多年来,无数人挑战了这个假设,至今没有人可以证伪相对论。因此,至少从目前来看,光速不变原理还是很坚实的科学假设。