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爱因斯坦的“追寻光束”思想实验是如何包含“狭义相对论的萌芽”的呢?

编辑:网友投稿来源:互联网整理更新时间:2020-10-05 10:44:08

1895年,爱因斯坦16岁:

爱因斯坦的“追寻光束”思想实验是如何包含“狭义相对论的萌芽”的呢?

爱因斯坦在阿劳上学,他想象了下面的思维实验:如果一个观察者试图追逐光波会发生什么?他能跟上吗?如果是这样,他应该看到一个不移动的光波形,这在爱因斯坦看来是不合理的。

爱因斯坦在他1949年的自传体笔记中解释了他追赶光束的思想实验。1900年后不久,他认识到(自传体注释,1949,第49页):

力学和电动力学都不能声称精确的有效性(除了在有限的情况下)。渐渐地,我对通过基于已知事实的建设性努力来发现真实规律的可能性感到绝望。我确信,只有发现一种普遍的形式原则,才能使我们得到可靠的结果。我之前看到的例子是热力学。

爱因斯坦因此寻找运动物体的麦克斯韦-洛伦兹电动力学的一般原理,这是热力学中发现的一种原理(自传体注释,1949,第49-50页):

经过十年的思考,这一原则[即相对论)导致矛盾的我已经达到16岁:如果我追求一束光速度c(光速在真空中),我应该遵守这样一束光作为一个电磁场静止虽然空间振荡。然而,无论根据经验还是根据麦克斯韦方程组,似乎都没有这样的东西。

爱因斯坦进一步解释了他的格登肯实验(自传体注释,1949,第50页):

从一开始对我似乎直观明显,从观察者的角度来看(追求一个光束速度c],一切会发生根据同一法律作为一个观察者来说,相对于地球静止(相对论)。因为第一个观察者如何知道,或能够确定,他处于快速匀速运动的状态?

如果年轻的爱因斯坦在一个以速度c传播的波形之后,以速度c追逐,追上这个波并跟着它移动,他会看到一个冻结的光波。

科学历史学家约翰·诺顿(见约翰·诺顿的主页)说,这种想法的不可持续性导致了以太的衰落。诺顿称,问题在于,目前还不清楚这种想法是如何给以太带来困难的。诺顿认为,爱因斯坦给出了三个理由,而每一个理由都可以被一个能干的以太理论家轻易地回答:

1)爱因斯坦应该观察到光线作为一个电磁场,虽然它在振荡,但它是静止的,但是似乎没有这种根据经验得出的结论。爱因斯坦在经验的基础上认识到不应该有“冻结光波”这样的东西,这个想法已经给以太制造了困难。

醚理论家会说我们不经历冷冻光线,因为我们在c中醚不动。如果我们移动得那么快,我们就会遇到冰冻的光。

爱因斯坦声称在麦克斯韦方程组的基础上似乎不存在这样的东西。以太理论家会声称,一个非常短的计算可以表明麦克斯韦方程可以预测,对于以c速度通过以太的观察者,光会冻结。

3)爱因斯坦为以c运动的观测者和每一个观测者调用了相对论原理,因为爱因斯坦(追逐光束)怎么知道他处于快速匀速运动的状态?

对于这个问题,以太理论者会回答:一个观察者知道他相对于以太在快速移动,仅仅是因为光被冻结了。

以太理论家的上述主张实际上并不十分相关。爱因斯坦的gedanken实验已经给以太带来了困难,即使以太理论者可以引用各种各样的反例。

在1905年以前,爱因斯坦接受了运动物体的麦克斯韦-洛伦兹电动力学的普遍有效性。在麦克斯韦-洛伦兹电动力学中,伽利莱相对论(和伽利莱变换)与光速的恒定性之间存在着基本的冲突。事实上,这与16岁的爱因斯坦追逐光束的思维实验有关。

爱因斯坦决定放弃以太假说。但在这样做的时候,他别无选择,只能选择伽利略的相对论原理,而不是光速恒定的假设。他并没有改变经典的时空概念,而是抛弃了麦克斯韦-洛伦兹电动力学。他为上述冲突找到了一个(暂时的)解决方案,即遵循伽利略相对论的发射理论。

诺顿认为,“追逐光束”思想实验的意义,可能远远超出爱因斯坦1895年在阿劳高中最后一年的局限。

诺顿提出,爱因斯坦的思想实验提供了一种特别有说服力的方式,来表达他对所谓的光和电磁发射理论的反对意见。在1905年发现这一理论之前的几年里,他一直在研究这一理论。

诺顿认为,爱因斯坦后来可能已经把最初的追光思维实验变成了否定所有光发射理论的逻辑上令人信服的理由,并在1905年春天之前回到了运动物体的麦克斯韦-洛伦兹电动力学理论。

诺顿认为,这个思想实验支持了爱因斯坦的最终决定:他放弃了发射理论,保留了著名的麦克斯韦-洛伦兹电动力学理论,但从根本上改变了时空理论。根据遵循爱因斯坦自传体笔记叙述的诺顿所说,这个思维实验的作用是为了在早期感知到相对运动的问题到他对同时性的相对论的洞察之间架起一座桥梁。

的确,在谈到gedanken实验的悖论之后,爱因斯坦在他的自传笔记(自传笔记,1949,第50页)中继续说:

我们可以看到,在这个悖论中,已经包含了狭义相对论的萌芽。当然,今天每个人都知道,只要时间的绝对特性或同时性的公理是植根于无意识而未被认识到的,所有试图令人满意地澄清这一悖论的努力都注定要失败。

但是16岁的爱因斯坦很可能不知道这一点;他还不能把同时性的概念和他的格旦肯实验联系起来。他直觉上被这个葛丹肯实验所迷惑,因此这对他来说是一个悖论。“清楚地认识这个公理”,爱因斯坦在他的自传笔记中说,“它的任意性已经暗示了解决问题的本质”。

如果我们遵循诺顿的理论,我们会问,在相对论论文提交前几周,在相对论的最后阶段,爱因斯坦是否把他16岁的gedanken实验和同时性的概念联系起来了;这个思维实验真的帮助他找到了答案吗?由于爱因斯坦在两者之间没有任何联系,我们只能猜测和推测。
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