相对论是爱因斯坦发现的为啥核心的变换要叫“洛伦兹变换”?

前面几期我讲解了狭义相对论的相关知识,我们多次提到“洛伦兹变换”,但是大家想过没,狭义相对论明明是爱因斯坦最先发现的,为啥这个重要的变换要叫“洛伦兹变换”,不叫“爱因斯坦变换”,今天我们就来谈谈这个问题。不知道大家还记得不,我们所处的这个宇宙有四个物理量是相对的:速度、时间、空间和质量。当我说一个物理量是相对的,那么有两个逻辑前提是啥?

其实除了以上两条,我们还可以加一条:物理量要比较必须在同一个参考系才行。所以有了三条标准我们再来看这四个物理量你就会发现,我们的时空观和牛顿的“绝对时空观”有很大差别了。因为牛顿认为我们的世界只有“速度”才是相对的,其余都是绝对的。

到底是“爱因斯坦的相对时空观”正确,还是“牛顿的绝对时空观”正确呢?无数事实已经证明爱因斯坦对了,但是我们同时也知道,牛顿的“绝对时空观”也没完全错,因为当我们的速度很低的时候,牛顿的时空观其实是很接近事实真相的,也就是说牛顿的时空观是低速情况下的一个近似而已。

由于时空和空间具有相对性,那么面对同一个物理过程,选择了不同参考系测量出来的时间和空间就会有差别,并且每一个参考系下测量出的时间和空间都是正确的,我相信这个大家已经理解,但是这一切的一切,都是建立在两个假设基础之上。

1、物理规律在所有惯性系下保持不变(意思是物理规律不会因为惯性系切换就改变了)

由于做了以上两条假设,我们根据逻辑往下推自然就会得出结论:时间和空间是相对的,所以当你觉得爱因斯坦的时空观错了,你只能去反驳刚刚的这两条假设,如果你也认为这两条假设正确,只是由假设往下推的过程错了,所以证明爱因斯坦相对论错了,那么非常遗憾的告诉你,这个推理过程绝对是没错的,因为验证“推理过程”比验证“假设”要简单的多。

我们分析看看这两条假设到底对不对,首先第一条假设我想大家应该没有质疑,因为物理规律的确不会因为惯性系切换而变化,比如我在地面上发现速度公式是v=s/t,然后我在匀速直线运动的火车上不可能发现速度公式变为:v=s*s/t,也就是说换了惯性系物理规律依然没变,要反驳这条假设那简直是再找虐。

所以我们来看看第二天假设,不少人肯定会疑惑,光为什么真空中速度恒定不变,明明速度的相对的,我如果能骑着一束光去看另一束光,那么另一束光应该和我相对静止才对,那么此时我感觉到另一束光的速度应该是0才对,为什么光速会恒定不变。

但是第二条假设可惜实验证明也是正确的,你如果不信可以真的去做实验测光速,你可以三个实验:

1、你左手拿一个测光速仪器静止于地面,右手拿手电筒,然后突然把手电筒打开,然后马上拿仪器测量手电筒的光速,你会发现仪器显示是C

2、你是在一列向前运动的火车上,你手里拿手电筒,仪器放地面,然后你打一束光,让地面的朋友帮你测下光速,你会发现仪器显示依然是C

3、你还是在一列运动火车上,只不过此时火车往后走,你手拿电筒,仪器还是放地面,然后你往前打一束光,让地面朋友帮你测下光速,你会发现仪器显示还是C。

也就是说光速不变这条假设,不是凭空现象的,而是人们做实验发现的,人们发现光速真的是一个bug,无论仪器相对于光源做啥运动,仪器测量出来的数值总是C不变,所以人们为了解释这个问题,可谓是绞尽脑汁。其中有一个人“洛伦兹”就提出一种假设,可能当物体运动太快,物体的长度会因为受到强烈的“以太风”而收缩,所以在运动方向上的长度变短了。

也就是说洛伦兹认为世界上存在一种物质叫“以太”,这个物质也就是我们的绝对参考系,所有的时间和空间都应该以这个绝对参考系为标准才是最正确的,而你速度越快,你运动方向受到的以太风就越强烈,你运动方向上的长度就会被压缩,从而导致测量出来的光速永远不变。

这个解释其实已经很接近相对论的思想了,洛伦兹不仅提出了这个想法,还根据刚刚的两条假设:1物理规律在惯性系下不变。2、光速真空中恒定不变。推出了“洛伦兹变换”,这个变换可以定量的计算出当你高速运动时,你运动方向上的长度到底缩短了多少,也就是说把他的这个假设理论给量化了。

但是洛伦兹的这个假设有个致命问题,那就是洛伦兹认为这个长度被压缩的效应,是一种绝对的效应。这个怎么解释呢?洛伦兹认为一个物体静止时长度是10米,当物体以接近光速运动时,地面人看物体会变成2米,而物体上面如果也有一个人骑着物体走,这个人去看这个物体会发现也是2米,当这个物体从高速变回静止于地面后,地面人发现这个物体还是2米。

也就是说洛伦兹认为“运动物体长度收缩”这个效应一旦产生就是绝对的了,不会因为参考系变化而变化,就算物体再次回到静止,已经产生的收缩效应也不会改变,其实洛伦兹的这种思想本质上来说还是“绝对论”。

那么爱因斯坦是如何看待这个过程的呢?爱因斯坦认为当物体静止于地面长度的确是10米,当物体接近光速运动时,地面人看物体会变成2米,但是骑着物体一直走的人看物体还是10米,也就是同一个物体不同参考系下去看会得到不同的长度,并且每个长度都是正确的,没有一个所谓的“标准长度”,你不能说地面人看物体是2米错了,骑着物体的人看物体依然是10米就对了,因为其实2米和10米都是对的,只不过大家参考系不同而已。而且当物体再次静止于地面,地面人会发现物体又变回了10米,当然骑着物体的人依然发现这个物体还是10米。

经过以上分析,大家应该明白“洛伦兹”和“爱因斯坦”观点的差别了没?洛伦兹认为一旦造成了“收缩效应”就是绝对的效应了,但是爱因斯坦认为这种“收缩效应”是相对的。

不过虽然两者观点上有差别,但是在数学表达上,洛伦兹变换和爱因斯坦的变换是完全一致的。所以尽管是爱因斯坦发现了狭义相对论,但是洛伦兹是第一个给这种“长度收缩”效应量化表达了出来并且给出了公式,所以我们还是把这个变换叫“洛伦兹变换”,不叫“爱因斯坦变换”,以彰显洛伦兹在相对论发现过程中做出的贡献。

其实爱因斯坦自己都说,当时接近狭义相对论的物理学家已经有好几个了,如果自己不发现狭义相对论,2年内必然会有人发现,洛伦兹如果摒弃牛顿的绝对时空观,把时间和空间改为相对,那么狭义相对论就完全可以由洛伦兹来发现了,可惜他依然没有战胜人类几千年建立的直觉“时间和空间是绝对的”。

不仅仅是洛伦兹,物理学发展到如今可以说99%的人依然不理解“时间和空间”是相对的,为什么狭义相对论都发现了这么多年,还是有这么多人觉得这个理论难以置信呢?因为这个理论违反了人类几千年建立的直觉,人类都是比较趋向于相信直觉的。我们对事物的对错做判断很多时候都是第一时间依赖我们的直觉,然后再直觉下做推理,事实证明直觉不等于真相,只有通过理性才能揭示真相。

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