卡文迪许实验室,师徒四人终于从兴奋中平静下来。
汤姆逊接回信件,中气十足地说道:“在座的各位,都有机会冲一冲这个奖项。”
“哪怕第一届不能入选,后面几届依然有很大的机会。”
“比如卢瑟福,你的结果今年才发表,估计委员会就是想提名,也来不及了。”卢瑟福点点头,不是很在意,反正他也没准备在第一届里厮杀。
“布鲁斯,你就不好说了,我个人非常看好你的成就,但你毕竟太过年轻,那些物理宿老们可能会有偏见。”李奇维也知道的自己短板,不过他没有放弃。
“至于威尔逊,你也不要气馁,等你的云室设计成熟后,也必然是诺奖级别的成果。”
“也许十几年后,我们卡文迪许实验室会有四个诺贝尔物理学奖获得者。”
汤姆逊意气风发,三人都被他的自信所感染,房间内充满爽朗的笑声。
只有李奇维知道,实验室的辉煌可远不止于此。
而他自己也不能停下脚步,那就暂定一个小目标:狭义相对论。
如果说量子论是否定了牛顿的“连续”时空观,物理学家们在直觉上还能接受。
毕竟在宏观世界,牛顿力学定律依然起支配作用,量子论与牛顿力学只是对物质的研究尺度不同。
那么狭义相对论则是否定了牛顿的“绝对”时空观,物理学家们无论如何也接受不了。
狭义相对论是彻底颠覆了牛顿经典力学,甚至可以直接说,牛顿力学就是错的。
所以当爱因斯坦在1905年第一次提出狭义相对论后,当时的物理学界没人认可,一方面是牛顿的权威,另一方面则是这个理论太大胆。
与广义相对论那复杂到极致的数学变换相比,狭义相对论其实没有多少高深的数学知识。
这个理论的难点,其实在于人们对于时空观念的转变,需要反直觉,抛弃从小到大的固有思维。
狭义相对论有两条基本原理(公理,不证自明):狭义相对性原理和光速不变原理。
狭义相对性原理:在一切惯性参考系(静止或直线运动的参考系)中,所有物理定律都是等价的。
光速不变原理:在一切惯性参考系中,光在真空中的速度c永远不变。
对于第一个原理,很好理解,因为这完全符合人类的直觉。
其实早在1632年,伽利略就提出了这个原理:相对于惯性系做匀速直线运动的任一惯性系,力学规律是相同的。
比如虽然地球在宇宙中不停地运动,但是不管它的速度是多少,我们在上面做实验都没有任何差别。
不管你是在南极做实验和还是在北极做实验,得出的物理规律一定是相同的。
至于第二个原理,则是理解狭义相对论最大的拦路虎。
首先我们要明白,光速不变原理不是爱因斯坦假设的,而是通过理论和实验测出来的,是真实的自然现象。
当年麦克斯韦横空出世,他的电磁方程组,得出的结果竟然发现光速c是一个恒定值,约30万公里/每秒。
后来又有很多物理学家,做了各种各样的实验,最后都发现光速c确实是一个常数,实验和理论吻合。
虽然麦克斯韦当初推导光速时,是基于空间中存在“以太”这个特殊参考系。
但不幸的是,后来的结果证明了以太不存在,这就是第一朵乌云的本质。
同时也是这个时代,困扰无数物理学家的最大障碍,没有人能理解光速c不变。
其实,如果想要理解光速不变原理,需要从两个角度去考虑。
第一,光速与光源的速度无关。
假设一个人A在草地上快速奔跑(速度大),然后打开手电筒;接着又缓慢行走(速度小),再次打开手电筒。
这两个过程在另一个人B观察来看,手电筒的光速居然是一样的,都是c,这就很奇怪。
因为如果把手电筒换成木棍,这两种情况下把木棍投出去,则B观察到的木棍飞行速度肯定不一样。
根据牛顿的惯性定律和直觉,人在助跑后,木棍能投的更远(假设投掷的力一样)。
问题来了,为什么惯性对木棍起作用,对光就不起作用呢?
后世的我们知道,第一因为光没有静止质量,所以也就没有惯性;第二光是瞬间激发的,打开手电筒之前,光并不存在。
光在产生出来的一瞬间,就和光源没有关系了,不仅人A的速度不影响光速,就连地球的公转速度也不影响光速。
这一点现在应该可以很好理解了吧。
难的是第二点,光速与观察者的速度无关。
假设现在没有B这个观察者了,而是A拿着手电筒匀速奔跑,自己观察光速。
在打开手电筒的瞬间,A有三种选择,第一继续向前奔跑,第二静止不动,第三掉头往回跑。
结果在这三种情况下,A观察到的光速全是一样的,都等于c。
这又是非常反直觉的现象。
因为光既然有一个具体的速度,那么顺着光跑,应该会观察到光速变慢;逆着光跑,则会观察到光速变快。
可现实却不是这样,为什么牛顿力学的速度叠加不再起作用呢?
这就涉及到时空的本质以及时空转换了,也是狭义相对论最最最难理解的点。
当时的普通人和物理学家在这一点上的认知几乎是相同的。
那就是在牛顿体系下,时间和空间是绝对的。测量时间的长短和测量空间的大小是绝对的,只有速度是相对的。
但是狭义相对论却指出,时间和空间是相对的,速度才是绝对的。测量时间和空间需要参考系,测量速度却不需要,速度是一个常量(不仅仅指光速)。
后面的钟慢效应、尺缩效应、以及质能方程都是基于这种时空观下的理论推导。
只要完成了这一时空观念的转变,打破经典力学的绝对时空观念,就能理解狭义相对论了。
至于如何理解空间和时间的相对性,那就是另一个复杂的问题,这里不便展开。
现在再回到第二点,为何速度不能叠加,通俗地理解,以不同速度运动的物体各自有自己的时间和空间。
所以此刻A所处的时空和光所处的时空已经不是同一个时空了,牛顿定律自然就失效了。
注意!这种情况下,哪怕是把光换成木棍,其实也不能叠加。
之所以后世初高中学习时,可以直接叠加,是因为在低速情况下,算出来的误差很小。
根据洛伦兹因子计算,当物体速度大于倍光速时,相对论效应才大于1%。
所以在日常活动中,使用牛顿力学的近似计算也没什么问题。
至于光速为什么会是这个值,谁也不知道,只能把它当成宇宙真理,造物主故意设置等等。
李奇维想到这里,不由自主地一笑,狭义相对论果然过于逆天,难怪发表后得不到理解和认可。
一旁的威尔逊看到他无故发笑,便问道:“布鲁斯,你又有什么好想法了,要不和我讨论讨论?”
李奇维回过神,笑道:“哦,我在幻想,我获得今年诺贝尔物理学奖后发表的演讲呢。”
老威很生气,快速远离了装逼犯。