独辟蹊径,吉姆尼携众车穿越黄岗梁无人之境,应对各种未知挑战 ♂
独辟蹊径,吉姆尼携众车穿越黄岗梁无人之境,应对各种未知挑战
- 独辟蹊径,吉姆尼携众车穿越黄岗梁无人之境,应对各种未知挑战
- 吉姆尼走川臧线需那些准备
- 记录吉姆尼仨兄弟太原出发再次穿越西藏!滇进新出25天12000
- 4个爷们儿,自驾4辆吉姆尼,穿越川藏线的第一天就嗨了!
- 吉姆尼在西藏能够跑多少码速度
- 吉姆尼主要以穿越为主,换什么轮胎好
穿越始终是我们乐此不疲的事!
同时也感谢我这个可靠的老伙计,一路保驾护航!废话不啰嗦,直接开始吧!
在克什克腾旗充分休整后,开启了一天新的旅程。
进入了黄岗梁的南坡,一路与溪水为伴。
沿着风车路盘旋上山,这为我们节省了很多时间。
风力发电使局部山顶有了路,但并不能沿路完成穿越。
到了我预设的下道点,我先让伙伴们到山顶看风景。
我在呼呼作响的风车下,拿着地图比对周围环境。
此处海拔1954米,我们已经上升了900多米。
已经能看到北坡的白桦林,但是完全看不出来可行的路线。
放眼一望,北坡被大面积的森林覆盖,看不出任何希望。
我在附近徘徊了很久,这时伙伴们从山顶看风景返回来了,失望让我有点紧张,如果放弃,不仅折返会浪费大量时间,还会影响士气。我让队友们在山顶等待,一个人驶上了草甸区,不放弃最后的希望。
我挂着低速四驱,在饱含水分的草甸斜坡上,向着一条支脉驶去,几百米后终于看到了一条牛走的单行路。
沿着单行路走到树木区,隐藏在里面的车辙路出现了,说明之前的图上作业是正确的,这应该是一条曾经的下山路。
电台呼叫伙伴们过来,大家鱼跃而至。
地面湿滑,轮胎瞬间被泥包裹,让大家原地等待,先行探一下路。
歪七扭八的穿过森林,前方是一个更陡的下坡,如果前方是断路,返回上坡难度会非常大。
于是呼来我们的探路先锋,小哲的皮卡装有泥地胎,前后差速器锁,前后绞盘,即使前方路不通,也有返回的实力。
小哲兴冲冲的离开队伍,跟我汇合后,一马当先冲下山坡。
我在原地等着小哲的消息。
回望刚才下来的山坡,另外几个伙伴还在山顶。
小哲不断报告着路况,说我可以再往下走走,一定要小心斜坡,太湿滑。
我小心翼翼的走了一段,前方又一个陡坡,小哲继续探路。
看着探路先锋远去。
只要走到下面的谷底,河流没有把路冲断,走出去看来问题不大。
小哲进入树林时,惊起了一群鹿跑上山坡。
就这样亦步亦趋。
我甚至有时间观察草堆上的蚂蚁窝。
终于等来了小哲的好消息,说走出了山谷,已经进入了平地。
我立即呼叫山顶的伙伴们,此时他们已经急不可待,我通过电台提醒他们注意湿滑斜坡。
最先周哥的H8盘旋而至。
大家激动的会合在一起。
来到了谷底的小溪边。
车队再次整合。
山下到处绿草茵茵,马儿在欢快的奔跑。
回望远处的黄岗梁。
没有比我们做到了更令人高兴的了。
一路上鸟语花香,世外桃源。
经过了一条又一条的河流。
穿过了一山又一山。
我已经不在乎路线的正确与否,最重要的任务完成了,已经随遇而安。但是后方电台报告了不好的消息,我立即返回查看。
大家已经开展了救援工作,原来陆巡的减震器断了!
这几天的一路颠簸,加上大范围的扭动,把左后的减震扭断了,只能拆下来了。看到小哲痛苦的表情,不小心夹到手了。
段哥的陆巡经过了严格的改装,没想到这次没经受住考验,也暴露了一些问题。
虎哥绘声绘色的给我讲述了这个问题的原理,真是三人行必有我师。
少了一根减震,大家都很无奈,只能谨慎的驾驶了。
风景如画,但未知的挑战还在前方等待着我们。
准备穿越森林。
遮天蔽日的落叶松在地面织成了厚厚的地毯。
间歇会出现大面积的白桦林。
林间其实是吉姆尼小道,难为伙伴的这几辆车了,一路的左右腾挪。
中午在林间小憩。
下午的穿越几乎让人崩溃,路越走越窄,不得不再次派出蓝色皮卡前方探路。
前方报告的消息是可以走,但是要刮车身。
虎哥这回遇到了困难,车顶箱成了累赘。
不知道的以为虎哥在表演林间舞蹈,实际上一路上虎妹已经接管了方向盘,虎哥在不断的施展拨云见日之功。
有时候还要检查车况。
蓝色皮卡跑的没影了,我不知道他在这里是怎么过去的。
我终于把车开到了一处开阔的草地上。
等待并叮嘱了后面几辆车。
陆巡和H8来了。
车顶被划的伤痕累累。
终于,虎哥也跌跌撞撞的扭了出来。
胜利会师。
继续在山谷和密林跌宕起伏几个回合后。
我们来到一个小溪边,不想再走了,不是因为疲累,而是要融入到这大自然的静美中。
刚4点多,我们决定扎营在这处静谧的港湾,虎哥也露出了开心笑容,开始享受这难得的一刻。
营地开始搭建中。
周哥这回决定住在一颗白桦树下,纪念一下我们曾经的山楂树之约。
小哲选择了一处还没有开花的花丛。
虎哥和虎妹也忙活起来了,在小溪中把桌子清洗干净。
段哥和虎哥开始寻找干枯的树枝,以便为我们的营地带来温暖。
我则有时间在营地周围漫步看风景。
风景中还有虎哥和虎妹的恩爱,给这风景添加了无垠的想象。
温暖的斜阳一直照耀着我们的餐桌。
大家烤火聊天,享受着这难得一刻,我采用车中泊方式,在车中倒这几天拍摄的素材。
夜已深,天空中繁星点点。
我们随着阳光的到来而苏醒,这里还是初春,大地一层冰霜。
周哥的大疆在清冷的空气中起飞,鸟瞰这森林大地。
再一次出发。
周哥和H8早已融为一体,此刻又一次融入到了森林中。
蓝色皮卡是一个合格的保姆。
所有人的努力成就的就像这参天大树。
走过了一程又一程,难以割舍的是分别那一刻,今天已经是我们的第四天了,开路先锋皮卡哲要回去工作,温情果敢的虎哥要保证陆巡段哥顺利回京,我和周哥将完成另外一段旅程。
还有一百多米就要上公路了,这是最后一条小河,祝大家一路顺风后,我和周哥的H8先行过河上了公路。
故事之外总是还有故事,一直断后收尾的虎哥在最后这条不起眼的小河沦陷了,真是出人意料,据说救援也颇费周折,上公路的我们一直在电台里守听着救援进展,直到信号变成白噪声。
我和周哥形影相随,向草原深处走去,我们的故事还在继续,如果之前我们穿越的是风景,这回我们将穿越历史。最后感谢大家的观看!
1、吉姆尼这车本身性能已经够,有条件就做个升高,没条件不升也行;
2、因为后备箱很小,建议装个行李框(最好不要用横杠+行李箱,载重太多又颠簸行李箱会裂);
3、穿越的话吉姆尼最大的问题是油箱小,可是去西藏带备用油箱被发现会没收,所以如果你的终点就是拉萨,不走大北线也不用带,见加油站就进。
4、其他的吃、喝、药品就正常准备吧。
自驾进藏没那么可怕,你去了就看到那么多小面包都遍地跑。
2020年9月1号?“吉姆尼”哥仨再次进藏!?此行预计25天左右,滇进新出!太原~丽江~拉萨~日喀则~珠峰大本营~~喀什~乌鲁木齐~太原【12000公里左右】?有些爱好从一开始就停不下来,有些路迟早都得去看看,我是一名旅游从业者,今年受疫情影响,我这个行业比较糟糕,与其每天在家发愁,到不如走出去感受感受!?这次为了进藏前几天专门买了一辆二手吉姆尼,这车太TM保值了,15款1.3AT军绿色导航版,18年4月已停产,新车不到16W,车况上上上,四年半29000公里,14.5W,大家觉得值吗??一般买这车的人绝对是情怀,那既然是情怀就不谈价格,喜欢就好!?喜欢这辆车好几年了,一直想入手,只是平时在市区开彰显不出他的英雄本色,今日终于到手,内心非常非常开心,非常非常喜欢!来,给大家展示一下:
看着成色!
备胎罩很特别吧!
车牌号随机选的,没啥特殊含义!
这是我们单位的lougou
这个脚踏1400
公里表应该是干货
红色方向盘套,活力!
本人有洁癖,车不干净宁愿不开!
远航假期在宣传推广方面没有羡慕过谁!
大家现在看到的的是花了1W改出来的!?除了爱好还是爱好!
机油,机滤,空滤,保养!
前后倒一下轮胎,装个挡泥板!
四轮定位,20年专业做平衡!
行李箱光喷漆600工费!土豪,就为颜色一样!
喷,全喷!
这个也得喷!
早上六点半从成都出发,正式开启这次川藏之行。第一站,新都桥,355公里。
为了出行方便,昨天抵达成都时,我们选择了南二环一个宾馆。晚上找了个馆子美美地撸了一顿串串,来庆祝这次旅行。没想到今早起来,大家都捂着肚子往厕所跑,口腹之欲,毕竟是有代价的呃。
出城就拐上了高速。没想到高速已经修到了泸定。沿途路况很好。可从泸定下了高速,沿着318往康定走时,路况差了起来。各种过路的大车、 旅游 车以及当地的车,甚是拥堵。老司机们见缝插针般的超车,让交通秩序变得更加混乱不堪。最奔放的当然要数当地车,个个技艺不凡。这时又庆幸自己开的是吉姆尼啊……
还未到康定,半路过检查站时,我们却被警察叔叔拦了下来,要求拆除所有车上的加载灯具。这下大伙儿有点儿紧张了,求了半天情,警察叔叔才动了恻隐之心,每辆车罚了一百块钱,放行。估计看我们大老远从北京开过来,也是不易。我们正要走,警察叔叔又拦下后面一辆车,是辆水泥大罐车,司机是个年轻小伙子,居然无照驾驶。我们听说后,震惊了,这简直太牛逼咯。
快到折多山时,天气骤变,下起了雪。没走多远,开始大堵车,前面肯定发生了事故,估计一时半会儿无法通过。我们不想就这么耗着,所以下道找了一条路,绕了过去。
可到了折多山,依然是堵车,想想反正离新都桥也就四十公里,索性就在折多山下停车,找个馆子吃午饭。点了四个菜,两份米饭,花了一百多点儿。
菜上来,发现除了番茄炒蛋没有辣椒,其他竟然都放了很多辣椒。红剑老师突发奇想,拿出户外煎锅,点了酒精灯,居然就煎起了自带的牛排。过了一小会儿,肉香便扑鼻而来,钱老师、永恒和我不由分说,就举着筷子凑了过去……
饭后,要翻折多山前,我们统一对轮胎放了气。从北京出发时,胎压都在1.6左右,到这边已经升到了2.2左右。眼下的路面破损严重,放气后会更安全一些。
过折多山时,海拔爬升得很快,我和老杨的车是原车1.3的动力,基本上挂上二档2000转,只能慢悠悠往上爬升。老钱和永恒的车,是改的,1.8的动力,即使在4000多海拔爬升时,也没有任何压力,动力澎湃啊,于是我和老杨就落在了后面。最后在折多山的垭口才跟他们汇合。
过了折多山,路况终于好了起来。本来想去雅哈垭口,看贡嘎雪山,但后来为了不错过拍摄落日的机会,就作罢了。因为去雅哈垭口需要一个小时的车程,垭口上的路非常窄,没有停车的地方,所以也不能在那里露营。
我们到达新都桥后,转了一圈,选了个拍摄落日的点位,就在一个山坡上。那里正好有个天然的平台,那里有一座新的寺院正在修建,隐约能看见很多正在忙碌的藏民朋友。
我们便想找路把车开上去。问了好多当地人,他们指了几条路,都上不去,因为一个重要的路口正在施工。我们只能试着自己找路。期间遇到一辆正在工作的洒水车,大家不约而同地尾随上去——从北京一路开过来,车确实已埋汰得不成样子。眼下这么个免费洗车的机会怎么能错过呢?
我们轻按下快门,小心记录下这一刻。转身看永恒时,他正借着暮光画一下眼前的景象。或许,正是这样的时刻,让我们深深着迷于藏地,不管千里万里,总要回来。拍完落日,返回准备吃饭时,旁边修建寺院的藏民朋友突然过来,邀请我们一起晚餐。我们有点儿兴奋,搬了箱泰山啤酒跟着过去。红剑老师竟然也自带了牛肉!
进帐篷后,发现已围坐了许多藏民朋友,他们热情地招呼我们坐下,我们也并不拘束,跟他们坐到了一起。一边聊天,一边喝酒吃东西,甚是畅快。他们中有些人能说点儿普通话,说不明白时,就比划手势,但无论如何,交流非常愉快。一会儿的功夫,大家就熟络起来了。
酒至酣,有人提议对歌。此时有位藏族大姐,首先唱开了。虽然听不懂藏语,但歌声如诉,千回百转,在这静夜里,动人心弦。大姐唱完还害羞得捂起了脸,十分可爱。
我们也端起酒,跟他们对歌,《平凡之路》《青藏高原》《卓玛》,后来连《爱不爱我》《月亮之上》都唱上了。如此美妙的夜晚,或许他们也听不懂我们在唱什么。但有歌声,有酒,有这样欢乐的夜晚,足矣。
尽兴而归。哥几个回车里休息。这是出发的第一天,竟然已有了远离尘嚣的感觉。不过现在露营地海拔已到了4600多,保险期间,临睡前,各自又吃了一粒止痛片,然后休息。
未完待续~
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吉姆尼在西藏能够跑180迈。
吉姆尼作为越野车,它具备越野车的所有性能,非承载式车身、前后硬桥、分时四驱系统等,其排量是1.3L,不过对于小车身、轻体重的吉姆尼来说这动力也足够了,不得不说20万以内的车,吉姆尼算是香饽饽了。
想要完全安全的自驾川藏线、穿越西藏,吉姆尼还需要小小的改动——轮胎,原厂的吉姆尼轮胎标配普利司通动力侠的H/T轮胎,但进出西藏安全起见,建议包括备胎在内的胎全部更换为已经能够适应一定程度越野行驶的AT轮胎。
汽车车速一般多少千米每小时:
汽车的速度在城区行驶时应该在30-60公里每小时,在高速公路时一般在80-120公里每小时,在普通城区时速度大概是60-80公里每小时。当汽车在城区内行驶时,由于车比较多、人也比较多,所以行驶速度不能太快,一般保40km匀速行驶即可。
碰到特殊情况时可根据实际情况来调节速度。当汽车在高速公路行驶时,因为路面比较畅通,并且高速公路属于快速车道,行驶速度太慢,所以这时的行驶速度应该在80-120公里每小时。
普通城区是指一些城区旁边的国道,这些道路人流不是很多,所以汽车的行驶速度可以在是60-80公里每小时。
AT胎(ALL TERRAIN全地形通用轮胎)
吉姆尼用得比较多的品牌有百路驰、倍耐力、固铂、普利司通等
网上有对各品牌性能的分析可以自行参考。
独院有房产证为什么不能过户 ♂
独院有房产证为什么不能过户
- 独院有房产证为什么不能过户
- 有房产证的独家独院能过户吗
- 卫辉在线独院证件齐全的二手房有卖的吗
- 买二手独院过户需要什么手续
- 有谁知道购买独门独院的二手房,过户费怎么算
1、所购房产为经济适用房等限制上市的房产,需要等待满足上市条件才能过户。
有一些房产,如经济适用房等,必须在满足一定年限条件后才能自由交易。如果有人把这种有限制条件的房产拿出来交易,就无法立即完成产权过户。
这样,交易双方往往需要约定等将来符合条件时再过户,但如果约定时间过长,就会增加很多不确定因素,双方的交易必定包含着很大的风险,特别是对于买方,风险甚至是无限的,比如政策变化的风险;房价上涨或者下跌的风险,卖房者可能反悔,不愿配合过户。
2、为等待满足税费优惠条件暂时不过户。
一套房产,因为相关情况的不同,存在着很大的税费区别,而税费直接影响房价。由于各种原因,一些人会在房子不符合相关税费优惠条件时签订房产买卖协议,但为节省税费,又约定等符合条件时再过户。这个条件可能是单纯的等待时间满足某个条件,也可能是其他什么原因。
3、为等待买家取得购房资格暂不过户。
由于房价上涨,有些地方出台了房产限购政策,造成一些买家暂时不能取得购房资格,但因某个原因,又急于购房,造成暂时无法过户。在这种情况下,双方都需要等待买家满足政策条件,比如等待买家夫妻“离婚”、等待买家把原名下的房产出售完毕,或者等待买家在当地工作社保满足一定年限等等。
扩展资料
注意
1、在取得产权证前,最好不要交全款,款项交得越少,风险越小;
2、要求卖方把房产权证等交由买方或中介持有,未取得房产权证的,可要求将原购房合同及税费票据交出。
3、在不能尽快过户的情况下,应尽早要求卖方交房,没有所有权,也要先取得房屋的使用权、控制权。
4、对过户时间要有非常明确的时间或条件约定,并约定适当的违约金标准。
5、房价经过一段时间会有波动,双方在合同中应约定相关的违约金标准,这对房价大幅波动时,对方是否决定违约,会有一定制约作用。
参考资料来源:人民网-买二手房不立即过户风险大 最好别全款买房
可以,二手房交易中,应遵循一般的流程,买卖双方要先形成合意,即达成一致意见,再根据手续办理过户。
法律依据:
《中华人民共和国不动产登记暂行条例》第二条不动产登记,是指不动产登记机构依法将不动产权利归属和其他法定事项记载于不动产登记簿的行为。本条例所称不动产,是指土地、海域以及房屋、林木等定着物。
应该是有的,可以去咨询中介公司看看。买房可以去中房购在线房产交易平台交易,可以有效保障资金安全,还可以在线申请贷款!
1、买卖双方持买卖协议、《身份证》、《房屋所有权证》到房地产交易中心申请办理房屋产权转让手续;并申报交易价格;2、房地产交易中心根据实际交易对房地产进行价格评估;3、买方到财政部门缴纳契税,卖方到地方税务局申报缴纳营业税、个人所得税,买卖双方到房地产交易中心缴纳交易费、工本费;4、领取新的房屋所有权证,然后持新的《房屋所有权证》和原来的《土地使用权证》到国土资源部门办理土地使用权变更手续,支付工本费,领取新的《土地使用权证》。
《不动产登记暂行条例》第四条 国家实行不动产统一登记制度。 不动产登记遵循严格管理、稳定连续、方便群众的原则。 不动产权利人已经依法享有的不动产权利,不因登记机构和登记程序的改变而受到影响。
一般的情况购买二手房,交易过户需要交纳的税费:
一、
买房人应缴纳税费:
1、
契税:房款的1.5%
(面积在144平米以上的需要缴纳3%,面积在90平米以下并且是首套房的可以缴纳1%)
2、
印花税:房款的0.05%
3、
交易费:3元/平方米
4、
测绘费:1.36
元/平方米
5、
权属登记费及取证费:一般情况是在200元内。
二、
卖房人应缴纳税费:
1、
交易费:3元/平方米
2、
印花税:房款的0.05%
3、
营业税:差价*5.5%(房产证未满5年的)
4、
个人所得税:房产交易盈利部分的20%或者房款的1%(房产证满5年并且是唯一住房的可以免除)
中介费:一般是房款的2%~3%
中原地产
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狭义相对论 ♂
狭义相对论
- 狭义相对论
- 什莫是以太
- 高分求世界著名科学家和他们提出的著名理论
- 电场高斯定律,磁通连续定理证明证明的问题
- 为什么会有电学
- 狭义相对论和广义相对论
- 简要得介绍一下麦克斯韦
- 谁有以太论的资料
- 为什么光速是绝对的,而速度是相对的
狭义相对论(Special Relativity)是主要由爱因斯坦创立的时空理论,是对牛顿时空观的改造。
伽利略变换与电磁学理论的不自洽
到19世纪末,以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实,但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。
迈克尔孙寻找以太的实验
为解决这一矛盾,物理学家提出了“以太假说”,即放弃相对性原理,认为麦克斯韦方程组只对一个绝对参考系(以太)成立。根据这一假说,由麦克斯韦方程组计算得到的真空光速是相对于绝对参考系(以太)的速度;在相对于“以太”运动的参考系中,光速具有不同的数值。
实验的结果——零结果
但斐索实验和迈克耳逊-莫雷实验表明光速与参考系的运动无关。
洛仑兹坐标变换
洛仑兹变换是描述狭义相对论空间中各参考系间关系的变换。它最早由洛仑兹从以太说推出,用以解决经典力学与经典电磁学间的矛盾(即迈克尔孙-莫雷实验的零结果)。后被爱因斯坦用于狭义相对论。
1632年,伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维阿蒂”对上述问题给了一个彻底的回答。他说:“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里,让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫,舱内放一只大水碗,其中有几条鱼。然后,挂上一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船鱼向各个方向随便游动,水滴滴进下面的罐口,你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳,无论向哪个方向跳 过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情之后,再使船以任何速度前进,只要运动是匀速,也不忽左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快,你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。虽然你跳到空中时,脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时,不论他是在船头还是在船尾,只要你自己站在对面,你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样,滴进下面的罐子,一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时,船已行驶了许多柞(为大指尖到小指尖伸开之长,通常为九英寸,是古代的一种长度单位)。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大;它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后,蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行,它们也决不会向船尾集中,并不因为它们可能长时间留在空中,脱离开了船的运动,为赶上船的运动而显出累的样子。”
萨尔维阿蒂的大船道出一条极为重要的真理,即:从船中发生的任何一种现象,你是无法判断船究竟是在运动还是停着不动。现在称这个论断为伽利略相对性原理。
用现代的语言来说,萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。就是说,以不同的匀速运动着而又不忽左忽右摆动的船都是惯性参考系。在一个惯性系中能看到的种种现象,在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到。亦即,所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态,哪一个又是绝对运动的。
伽利略相对性原理不仅从根本上否定了地静派对地动说的非难,而且也否定了绝对空间观念(至少在惯性运动范围内)。所以,在从经典力学到相对论的过渡中,许多经典力学的观念都要加以改变,唯独伽利略相对性原理却不仅不需要加以任何修正,而且成了狭义相对论的两条基本原理之一。
狭义相对论的两条原理 1905年,爱因斯坦发表了狭义相对论的奠基性论文《论运动物体的电动力学》。关于狭义相对论的基本原理,他写道: “下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的,这两条原理我们规定如下:
1.物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。
2.任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”
其中第一条就是相对性原理,第二条是光速不变性。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。
爱因斯坦的哲学观念是,自然界应当是和谐而简单的。的确,他的理论常有一种引人注目的特色:出于简单而归于深奥。狭义相对论就是具有这种特色的一个体系。狭义相对论的两条基本原理似乎是并不难接受的“简单事实”,然而它们的推论却根本地改变了牛顿以来物理学的根基。
后面我们将开始这种推论。
爱因斯坦狭义相对论
相对论是20世纪物理学史上最重大的成就之一,它包括狭义相对论和广义相对论两个部分,狭义相对论变革了从牛顿以来形成的时空概念,提示了时间与空间的统一性和相对性,建立了新的时空观。广义相对论把相对原理推广到非惯性参照系和弯曲空间,从而建立了新的引力理论。在相对论的建立过程中,爱因斯坦起了主要的作用。
爱因斯坦是美籍德国物理学家。1914年任德国威廉皇帝物理研究所所长和普鲁士科学院院士,1933年因遭纳粹政权迫害迁往美国,任普林斯顿高等研究院主任。1905睥,在他26岁时,法文科学杂志《物理年鉴》刊登了他的一篇论文《论运动物体的电动力学》,这篇论文是关于相对论的第一篇论文,它相当全面地论述了狭义相对论,解决了从19世纪中期开始,许多物理学家都未能解决的有关电动力学以及力学和电动力学结合的问题。
提起狭义相对论,很多人马上就想到钟表慢走和尺子缩短现象。许多科学幻想作品用它作题材,描写一个人坐火箭遨游太空回来以后,发现自己还很年轻,而孙子已经变成了老头。其实,钟表慢走和尺子缩短只是狭义相对论的几个结论之一,它是指物体高速运动的时候,运动物体上的时钟变慢了,尺子变短了。钟表慢走和尺子缩短现象就是时间和空间随物质运动而变化的结果。狭义相对论还有一个质量随运动速度而增加的结论。实验中发现,高速运动的电子的质量比静止的电子的质量大。
狭义相对论最重要的结论是使质量守恒失去了独立性。它和能量守恒原理融合在一起,质量和能量可以互相转化。如果物质质量是M,光速是C,它所含有的能量是E,那么E=MC 2。这个公式只说明质量是M的物体所蕴藏的全部能量,并不等于都可以释放出来,在核反应中消失的质量就按这个公式转化成能量释放出来。按这个公式,1克质量相当于9*10 3焦耳的能量。这个质能转化和守恒原理就是利用原子能的理论基础。
大狭义相对论中,虽然出现了用牛顿力学观点完全不能理解的结论:空间和时间随物质运动而变化,质量随运动而变化,质量和能量的相互转化,但是狭义相对论并不是完全和牛顿力学割裂的,当运动速度远低于光速的时候,狭义相对论的结论和牛顿力学就不会有什么区别。
几十年来的历史发展证明,狭义相对论大大推动了科学进程,成为现代物理学的基本理论之一。
爱因斯坦于1922年12月有4日,在日本京都大学作的题为《我是怎样创立相对论的?》的演讲中,说明了他关于相对论想法的产生和发展过程。他说:“关于我是怎样建立相对论概念这个问题,不太好讲。我的思想曾受到那么多神秘而复杂的事物的启发,每种思想的影响,在生活幸福论概念的发展过程中的不同阶段都不一样……我第一次产生发展相对论的念头是在17年前,我说不准这个想法来自何处,但是我肯定,它包含在运动物体光学性质问题中,光通过以大海洋传播,地球在以太中运动,换句话说,即以太阳对地球运动。我试图在物理文献中寻找以太流动的明显的实验证据,蓝天是没有成功。随后,我想亲自证明以太相对地球的运动,或者说证明地球的运动。当我首次想到这个问题的时候,我不怀疑以太的存在或者地球通过以太的运动。”于是,他设想了一个使用两个热电偶进行的实验:设置一些反光镜,以使从单个光源发出的光在两个不同的方向被反射,一束光平行于地球的运动方向且同向,另一束光逆向而行。如果想象在两个反射光束间的能量差的话,就能用两个热电偶测出产生的热量差。虽然这个实验的想法与迈克尔逊实验非常相似,但是他没有得出结果。
爱因斯坦说:他最初考虑这个问题时,正是学生时代,当时他已经知道了迈克尔逊实验的奇妙结果,他很快就得出结论:如果相信迈克尔逊的零结果,那么关于地球相对以太运动的想法就是错误的。他说道:“这是引导我走向狭义相对论的第一条途径。自那以后,我开始相信,虽然地球围绕太阳转动,但是,地球运动不可能通过任何光学实验探测太阳转动,但是,地球的运动不可能通过任何光学实验探测出来。”
爱因斯坦有机会读了洛伦兹在1895年发表的论文,他讨论并完满解决了u/c的高次项(u为运动物体的速度,c为光速)。然后爱因斯坦试图假定洛伦兹电子方程在真空参照系中有效,也应该在运动物体的参照系中有效,去讲座菲索实验。在那时,爱因斯坦坚信,麦克斯韦-洛伦兹的电动力学方程是正确的。进而这些议程在运动物体参照系中有效的假设导致了光速不变的概念。然而这与经典和学中速度相加原理相违背。
为什么这两个概念互相矛盾。爱因斯坦为了解释它,花了差不多一年的时间试图去修改洛伦兹理论。一个偶然的机会。他在一个朋友的帮助下解决了这一问题。爱因斯坦去问他并交谈讨论了这个困难问题的各个方面,突然爱因斯坦找到了解决所有的困难的办法。他说:“我在五周时间里完成了狭义相对论原理。”
爱因斯坦的理论否定了以太概念,肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式,并对空间、时间的概念进行了深刻的分析,从而建立了新的时空关系。他1905年的论文被世界公认为第一篇关于相对论的论文,他则是第一位真正的相对论物理学家。
狭义相对论效应
根据狭义相对性原理,惯性系是完全等价的,因此,在同一个惯性系中,存在统一的时间,称为同时性,而相对论证明,在不同的惯性系中,却没有统一的同时性,也就是两个事件(时空点)在一个关性系内同时,在另一个惯性系内就可能不同时,这就是同时的相对性,在惯性系中,同一物理过程的时间进程是完全相同的,如果用同一物理过程来度量时间,就可在整个惯性系中得到统一的时间。在今后的广义相对论中可以知道,非惯性系中,时空是不均匀的,也就是说,在同一非惯性系中,没有统一的时间,因此不能建立统一的同时性。
相对论导出了不同惯性系之间时间进度的关系,发现运动的惯性系时间进度慢,这就是所谓的钟慢效应。可以通俗的理解为,运动的钟比静止的钟走得慢,而且,运动速度越快,钟走的越慢,接近光速时,钟就几乎停止了。
尺子的长度就是在一惯性系中“同时“得到的两个端点的坐标值的差。由于“同时“的相对性,不同惯性系中测量的长度也不同。相对论证明,在尺子长度方向上运动的尺子比静止的尺子短,这就是所谓的尺缩效应,当速度接近光速时,尺子缩成一个点。
由以上陈述可知,钟慢和尺缩的原理就是时间进度有相对性。也就是说,时间进度与参考系有关。这就从根本上否定了牛顿的绝对时空观,相对论认为,绝对时间是不存在的,然而时间仍是个客观量。比如在下期将讨论的双生子理想实验中,哥哥乘飞船回来后是15岁,弟弟可能已经是45岁了,说明时间是相对的,但哥哥的确是活了15年,弟弟也的确认为自己活了45年,这是与参考系无关的,时间又是“绝对的“。这说明,不论物体运动状态如何,它本身所经历的时间是一个客观量,是绝对的,这称为固有时。也就是说,无论你以什么形式运动,你都认为你喝咖啡的速度很正常,你的生活规律都没有被打乱,但别人可能看到你喝咖啡用了100年,而从放下杯子到寿终正寝只用了一秒钟。
时钟佯谬或双生子佯谬
相对论诞生后,曾经有一个令人极感兴趣的疑难问题---双生子佯谬。一对双生子A和B,A在地球上,B乘火箭去做星际旅行,经过漫长岁月返回地球。爱因斯坦由相对论断言,二人经历的时间不同,重逢时B将比A年轻。许多人有疑问,认为A看B在运动,B看A也在运动,为什么不能是A比B年轻呢?由于地球可近似为惯性系,B要经历加速与减速过程,是变加速运动参考系,真正讨论起来非常复杂,因此这个爱因斯坦早已讨论清楚的问题被许多人误认为相对论是自相矛盾的理论。如果用时空图和世界线的概念讨论此问题就简便多了,只是要用到许多数学知识和公式。在此只是用语言来描述一种最简单的情形。不过只用语言无法更详细说明细节,有兴趣的请参考一些相对论书籍。我们的结论是,无论在那个参考系中,B都比A年轻。
为使问题简化,只讨论这种情形,火箭经过极短时间加速到亚光速,飞行一段时间后,用极短时间掉头,又飞行一段时间,用极短时间减速与地球相遇。这样处理的目的是略去加速和减速造成的影响。在地球参考系中很好讨论,火箭始终是动钟,重逢时B比A年轻。在火箭参考系内,地球在匀速过程中是动钟,时间进程比火箭内慢,但最关键的地方是火箭掉头的过程。在掉头过程中,地球由火箭后方很远的地方经过极短的时间划过半个圆周,到达火箭的前方很远的地方。这是一个“超光速“过程。只是这种超光速与相对论并不矛盾,这种“超光速“并不能传递任何信息,不是真正意义上的超光速。如果没有这个掉头过程,火箭与地球就不能相遇,由于不同的参考系没有统一的时间,因此无法比较他们的年龄,只有在他们相遇时才可以比较。火箭掉头后,B不能直接接受A的信息,因为信息传递需要时间。B看到的实际过程是在掉头过程中,地球的时间进度猛地加快了。在B看来,A现实比B年轻,接着在掉头时迅速衰老,返航时,A又比自己衰老的慢了。重逢时,自己仍比A年轻。也就是说,相对论不存在逻辑上的矛盾。
相对论要求物理定律要在坐标变换(洛伦兹变化)下保持不变。经典电磁理论可以不加修改而纳入相对论框架,而牛顿力学只在伽利略变换中形势不变,在洛伦兹变换下原本简洁的形式变得极为复杂。因此经典力学与要进行修改,修改后的力学体系在洛伦兹变换下形势不变,称为相对论力学。
狭义相对论建立以后,对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的范围,成为研究高速粒子不可缺少的理论,而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后,却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后,惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律实质一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而“不受外力“是什么意思?只能说,不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样,惯性系的定义就陷入了逻辑循环,这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系,但宇宙中却不存在真正的惯性系,整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连,必须修正,但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了,万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力,其中一种就冒出来捣乱,情况当然不会令人满意。
爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论,然而为解决这两个困难,建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题,爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位,把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究了惯性力后,提出了著名的等性原理,发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。几经曲折,爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃一惊,引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时,由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现,两大理论并不相容,至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战:爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止,只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。爱因斯坦为解决这一问题耗费了后半生三十年光阴却一无所获。不过他的工作为物理学家们指明了方向:建立包含四种作用力的超统一理论。目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。
以太是一个历史上的名词,它的涵义也随着历史的发展而发展。
在古希腊,以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中,有时又用以太来表示占据天体空间的物质。17世纪的笛卡儿是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家,他最先将以太引入科学,并赋予它某种力学性质。
在笛卡儿看来,物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不可能是空无所有的,它被以太这种媒介物质所充满。以太虽然不能为人的感官所感觉,但却能传递力的作用,如磁力和月球对潮汐的作用力。
后来,以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动说是由胡克首先提出的,并为惠更斯所进一步发展。在相当长的时期内(直到20世纪初),人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动。这种媒介物质就称为波的荷载物,如空气就是声波的荷载物。
由于光可以在真空中传播,因此惠更斯提出,荷载光波的媒介物质(以太)应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质之中。除了作为光波的荷载物以外,惠更斯也用以太来说明引力的现象。
牛顿虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡儿一样反对超距作用,并承认以太的存在。在他看来,以太不一定是单一的物质,因而能传递各种作用,如产生电、磁和引力等不同的现象。牛顿也认为以太可以传播振动,但以太的振动不是光,因为当时光的波动学说还不能解释光的偏振现象,也不能解释光为什么会直线传播。
18世纪是以太论没落的时期。由于法国笛卡儿主义者拒绝引力的平方反比定律,而使牛顿的追随者起来反对笛卡儿哲学体系,因而连同他倡导的以太论也一同进入了反对之列。
随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功,以及探寻以太得试验并未获得实际结果,使得超距作用观点得以流行。光的波动说也被放弃了,微粒说得到广泛的承认。到18世纪后期,证实了电荷之间(以及磁极之间)的作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃,超距作用的观点在电学中也占了主导地位。
19世纪,以太论获得复兴和发展,这首先还是从光学开始的,主要是托马斯·杨和菲涅耳工作的结果。杨用光波的干涉解释了牛顿环,并在实验的启示下,于1817年提出光波为横波的新观点,解决了波动说长期不能解释光的偏振现象的困难。
菲涅耳用被动说成功地解释了光的衍射现象,他提出的理论方法(现常称为惠更斯-菲涅耳原理)能正确地计算出衍射图样,并能解释光的直线传播现象。菲涅耳又进一步解释了光的双折射,获得很大成功。
1823年,他根据杨的光波为横波的学说,和他自己在1818年提出的:透明物质中以太密度与其折射率二次方成正比的假定,在一定的边界条件下,推出关于反射光和折射光振幅的著名公式,它很好地说明了布儒斯特数年前从实验上测得的结果。
菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式。1818年他为了解释阿拉果关于星光折射行为的实验,在杨的想法基础上提出:透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比,他还假定当一个物体相对以太参照系运动时,其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动(以太部分曳引假说)。利用菲涅耳的理论,很容易就能得到运动物体内光的速度。
19世纪中期,曾进行了一些实验,以求显示地球相对以太参照系运动所引起的效应,并由此测定地球相对以太参照系的速度,但都得出否定的结果。这些实验结果可从菲涅耳理论得到解释,根据菲涅耳运动媒质中的光速公式,当实验精度只达到一定的量级时,地球相对以太参照系的速度在这些实验中不会表现出来,而当时的实验都未达到此精度。
在杨和菲涅耳的工作之后,光的波动说就在物理学中确立了它的地位。随后,以太在电磁学中也获得了地位,这主要是由于法拉第和麦克斯韦的贡献。
在法拉第心目中,作用是逐步传过去的看法有着十分牢固的地位,他引入了力线来描述磁作用和电作用。在他看来,力线是现实的存在,空间被力线充满着,而光和热可能就是力线的横振动。他曾提出用力线来代替以太,并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场。他在1851年又写道:“如果接受光以太的存在,那么它可能是力线的荷载物。”但法拉第的观点并未为当时的理论物理学家们所接受。
到19世纪60年代前期,麦克斯韦提出位移电流的概念,并在提出用一组微分方程来描述电磁场的普遍规律,这组方程以后被称为麦克斯韦方程组。根据麦克斯韦方程组,可以推出电磁场的扰动以波的形式传播,以及电磁波在空气中的速度为每秒31万公里,这与当时已知的空气中的光速每秒31.5万公里在实验误差范围内是一致的。
麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后写道:“光就是产生电磁现象的媒质(指以太)的横振动”。后来,赫兹用实验方法证实了电磁波的存在。光的电磁理论成功地解释了光波的性质,这样以太不仅在电磁学中取得了地位,而且电磁以太同光以太也统一了起来。
麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象,他在1855年的论文中,把磁感应强度比做以太的速度。后来他接受了汤姆孙(即开尔文)的看法,改成磁场代表转动而电场代表平动。
他认为,以太绕磁力线转动形成一个个涡元,在相邻的涡元之间有一层电荷粒子。他并假定,当这些粒子偏离它们的平衡位置即有一位移时,就会对涡元内物质产生一作用力引起涡元的变形,这就代表静电现象。
关于电场同位移有某种对应,并不是完全新的想法,汤姆孙就曾把电场比作以太的位移。另外,法拉第在更早就提出,当绝缘物质放在电场中时,其中的电荷将发生位移。麦克斯韦与法拉第不同之处在于,他认为不论有无绝缘物质存在,只要有电场就有以太电荷粒子的位移,位移的大小与电场强度成正比。当电荷粒子的位移随时间变化时,将形成电流,这就是他所谓的位移电流。对麦克斯韦来说,位移电流是真实的电流,而现在我们知道,只是其中的一部分(极化电流)才是真实的电流。
在这一时期还曾建立了其他一些以太模型,不过以太论也遇到一些问题。首先,若光波为横波,则以太应为有弹性的固体媒质。那么为何天体运行其中会不受阻力呢?有人提出了一种解释:以太可能是一种像蜡或沥青样的塑性物质,对于光那样快的振动,它具有足够的弹性像是固体,而对于像天体那样慢的运动则像流体。
另外,弹性媒质中除横波外一般还应有纵波,但实验却表明没有纵光波,如何消除以太的纵波,以及如何得出推导反射强度公式所需要的边界条件是各种以太模型长期争论的难题。
为了适应光学的需要,人们对以太假设一些非常的属性,如1839年麦克可拉模型和柯西模型。再有,由于对不同的光频率,折射率也不同,于是曳引系数对于不同频率亦将不同。这样,每种频率的光将不得不有自己的以太等等。以太的这些似乎相互矛盾性质实在是超出了人们的理解能力。
19世纪90年代,洛伦兹提出了新的概念,他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应。至于物质中的以太,则同真空中的以太在密度和弹性上都并无区别。他还假定,物体运动时并不带动其中的以太运动。但是,由于物体中的电子随物体运动时,不仅要受到电场的作用力,还要受到磁场的作用力,以及物体运动时其中将出现电介质运动电流,运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。
在考虑了上述效应后,洛伦兹同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式,而菲涅耳理论所遇到的困难(不同频率的光有不同的以太)已不存在。洛伦兹根据束缚电子的强迫振动,可推出折射率随频率的变化。洛伦兹的上述理论被称为电子论,它获得了很大成功。
19世纪末可以说是以太论的极盛时期。但是,在洛伦兹理论中,以太除了荷载电磁振动之外,不再有任何其他的运动和变化,这样它几乎已退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系,它已失去了所有其他具体生动的物理性质,这就又为它的衰落创造了条件。
如上所述,为了测出地球相对以太参照系的运动,实验精度必须达到很高的量级。到19世纪80年代,迈克耳孙和莫雷所作的实验第一次达到了这个精度,但得到的结果仍然是否定的,即地球相对以太不运动。此后其他的一些实验亦得到同样的结果,于是以太进一步失去了作为绝对参照系的性质。这一结果使得相对性原理得到普遍承认,并被推广到整个物理学领域。
在19世纪末和20世纪初,虽然还进行了一些努力来拯救以太,但在狭义相对论确立以后,它终于被物理学家们所抛弃。人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念,而场可以在真空中以波的形式传播。
量子力学的建立更加强了这种观点,因为人们发现,物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性。波动性已成为物质运动的基本属性的一个方面,那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已完全被冲破。
然而人们的认识仍在继续发展。到20世纪中期以后,人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空,那里存在着不断的涨落过程(虚粒子的产生以及随后的湮没)。这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应。
今天,理论物理学家进一步发现,真空具有更复杂的性质。真空态代表场的基态,它是简并的,实际的真空是这些简并态中的某一特定状态。目前粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏,就是真空的这种特殊的“取向”所引起的。在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一理论已获得很大的成功。
这样看来,机械的以太论虽然死亡了,但以太概念的某些精神(不存在超距作用,不存在绝对空虚意义上的真空)仍然活着,并具有旺盛的生命力。
我自己整理的,以下内容包括——
牛顿 阿基米德 爱因斯坦 安培 奥斯特 麦克斯韦 开普勒 赫兹 法拉第 焦耳 霍金 笛卡儿 库伦。
的学术成就介绍。不包括生平。因为字数限制。太简单没意思,更多又贴不下。
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艾萨克?牛顿爵士,英国皇家学会会员,(SirIsaacNewtonFRS,1643年1月4日~1727年3月31日是一位英格兰物理学家、数学家、天文学家、自然哲学家和炼金术士。他在1687年发表的论文《自然哲学的数学原理》里,对万有引力和三大运动定律进行了描述。这些描述奠定了此后三个世纪里物理世界的科学观点,并成为了现代工程学的基础。他通过论证开普勒行星运动定律与他的引力理论间的一致性,展示了地面物体与天体的运动都遵循着相同的自然定律;从而消除了对太阳中心说的最后一丝疑虑,并推动了科学革命。在力学上,牛顿阐明了动量和角动量守恒的原理。在光学上,他发明了反射式望远镜,并基于对三棱镜将白光发散成可见光谱的观察,发展出了颜色的理论。他还系统地表述了冷却定律,并研究了音速。在数学上,牛顿与戈特弗里德?莱布尼茨分享了发展出微积分学的荣誉。他也证明了广义二项式定理,提出了“牛顿法”以趋近函数的零点,并为幂级数的研究作出了贡献。
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阿基米德(Archimedes,约公元前287~212)是古希腊物理学家、数学家,静力学和流体静力学的奠基人。
阿基米德无可争议的是古代希腊文明所产生的最伟大的数学家及科学家之一,他在诸多科学领域所作出的突出贡献,使他赢得同时代人的高度尊敬。
力学方面:阿基米德在力学方面的成绩最为突出,他系统并严格的证明了杠杆定律,为静力学奠定了基础。在总结前人经验的基础上,阿基米德系统地研究了物体的重心和杠杆原理,提出了精确地确定物体重心的方法,指出在物体的中心处支起来,就能使物体保持平衡。他在研究机械的过程中,发现了杠杆定律,并利用这一原理设计制造了许多机械。他在研究浮体的过程中发现了浮力定律,也就是有名的阿基米德定律。
几何学方面:阿基米德确定了抛物线弓形、螺线、圆形的面积以及椭球体、抛物面体等各种复杂几何体的表面积和体积的计算方法。在推演这些公式的过程中,他创立了“穷竭法”,即我们今天所说的逐步近似求极限的方法,因而被公认为微积分计算的鼻祖。他用圆内接多边形与外切多边形边数增多、面积逐渐接近的方法,比较精确的求出了圆周率。面对古希腊繁冗的数字表示方式,阿基米德还首创了记大数的方法,突破了当时用希腊字母计数不能超过一万的局限,并用它解决了许多数学难题。
天文学方面:阿基米德在天文学方面也有出色的成就。除了前面提到的星球仪,他还认为地球是圆球状的,并围绕着太阳旋转,这一观点比哥白尼的“日心地动说”要早一千八百年。限于当时的条件,他并没有就这个问题做深入系统的研究。但早在公元前三世纪就提出这样的见解,是很了不起的。
著述:阿基米德流传于世的数学著作有10余种,多为希腊文手稿。他的著作集中探讨了求积问题,主要是曲边图形的面积和曲面立方体的体积,其体例深受欧几里德《几何原本》的影响,先是设立若干定义和假设,再依次证明,作为数学家,他写出了《论球和圆柱》、《圆的度量》、《抛物线求积》、《论螺线》、《论锥体和球体》、《沙的计算》等数学著作。作为力学家,他着有《论图形的平衡》、《论浮体》、《论杠杆》、《原理》等力学著作。
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爱因斯坦(Albert Einstein,1879-1955)名人职称:物理学家 国家:德国出生 美国国籍
分别于1905年和1915年,提出了狭义相对论和广义相对论,重新诠释物理学的基本概念,修正了牛顿力学,取代了传统的万有引力理论,使物理理论的预测更为精确。爱因斯坦和牛顿是物理史上并列的巨人。
1905年是爱因斯坦一生中,也是物理史上的神奇年。爱因斯坦的超人智慧迸出了耀眼的光芒。以26岁的年龄,在没有其它学术联系的情况下,一年内发表了三篇震撼物理学界的论文:光的量子说(解释光电效应)、布朗运动(证明分子的存在)和狭义相对论(修正了牛顿力学)。其后的几年内,爱因斯坦从一名没没无名的青年学子,一跃而为国际上知名的学者。欧洲各著名大学争相礼聘。1912年,爱因斯坦很高兴回到苏黎世的母校任教,但不久后,他在德国科学界的力邀下,前往柏林威廉皇帝研究所进行研究工作。
1915年,爱因斯坦又发表了一篇惊世的名作--广义相对论,取代了牛顿的万有引力理论,对于物理学的理论发展和对宇宙现象的认识,有极为深远的影响。1921年,爱因斯坦以解释光电效应的光子说,获得诺贝尔物理奖,成为世界性家喻户晓的名人。
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安德烈?玛丽?安培(André-Marie Ampère,1775年—1836年),法国物理学家,在电磁作用方面的研究成就卓著,对数学和化学也有贡献。
安培最主要的成就是1820~1827年对电磁作用的研究。
①发现了安培定则
奥斯特发现电流磁效应的实验,引起了安培注意,使他长期信奉库仑关于电、磁没有关系的信条受到极大震动,他全部精力集中研究,两周后就提出了磁针转动方向和电流方向的关系及从右手定则的报告,以后这个定则被命名为安培定则。
②发现电流的相互作用规律
接着他又提出了电流方向相同的两条平行载流导线互相吸引,电流方向相反的两条平行载流导线互相排斥。对两个线圈之间的吸引和排斥也作了讨论。
③发明了电流计
安培还发现,电流在线圈中流动的时候表现出来的磁性和磁铁相似,创制出第一个螺线管,在这个基础上发明了探测和量度电流的电流计。
④提出分子电流假说
他根据磁是由运动的电荷产生的这一观点来说明地磁的成因和物质的磁性。提出了著名的分子电流假说。安培认为构成磁体的分子内部存在一种环形电流——分子电流。由于分子电流的存在,每个磁分子成为小磁体,两侧相当于两个磁极。通常情况下磁体分子的分子电流取向是杂乱无章的,它们产生的磁场互相抵消,对外不显磁性。当外界磁场作用后,分子电流的取向大致相同,分子间相邻的电流作用抵消,而表面部分未抵消,它们的效果显示出宏观磁性。安培的分子电流假说在当时物质结构的知识甚少的情况下无法证实,它带有相当大的臆测成分;在今天已经了解到物质由分子组成,而分子由原子组成,原子中有绕核运动的电子,安培的分子电流假说有了实在的内容,已成为认识物质磁性的重要依据。
⑤总结了电流元之间的作用规律——安培定律
安培做了关于电流相互作用的四个精巧的实验,并运用高度的数学技巧总结出电流元之间作用力的定律,描述两电流元之间的相互作用同两电流元的大小、间距以及相对取向之间的关系。后来人们把这定律称为安培定律。安培第一个把研究动电的理论称为“电动力学”,1827年安培将他的电磁现象的研究综合在《电动力学现象的数学理论》一书中。这是电磁学史上一部重要的经典论著。为了纪念他在电磁学上的杰出贡献,电流的单位“安培”以他的姓氏命名。
他在数学和化学方面也有不少贡献。他曾研究过概率论和积分偏微方程;他几乎与H戴维同时认识元素氯和碘,导出过阿伏伽德罗定律,论证过恒温下体积和压强之间的关系,还试图寻找各种元素的分类和排列顺序关系。
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奥斯特(Hans Christian Oersted;1777~1851) 丹麦物理学家。科学成就
1.1820年发现电流的磁效应
自从库仑提出电和磁有本质上的区别以来,很少有人再会去考虑它们之间的联系。而安培和毕奥等物理学家认为电和磁不会有任何联系。可是奥斯特一直相信电、磁、光、热等现象相互存在内在的联系,尤其是富兰克林曾经发现莱顿瓶放电能使钢针磁化,更坚定了他的观点。当时,有些人做过实验,寻求电和磁的联系,结果都失败了。奥斯特分析这些实验后认为:在电流方向上去找效应,看来是不可能的,那么磁效应的作用会不会是横向的?
在1820年4月,有一次晚上讲座,奥斯特演示了电流磁效应的实验。当伽伐尼电池与铂丝相连时,靠近铂丝的小磁针摆动了。这一不显眼的现象没有引起听众的注意,而奥斯特非常兴奋,他接连三个月深入地研究,在1820年7月21日,他宣布了实验情况。
奥斯特将导线的一端和伽伐尼电池正极连接,导线沿南北方向平行地放在小磁针的上方,当导线另一端连到负极时,磁针立即指向东西方向。把玻璃板、木片、石块等非磁性物体插在导线和磁针之间,甚至把小磁针浸在盛水的铜盒子里,磁针照样偏转。
奥斯特认为在通电导线的周围,发生一种“电流冲击”。这种冲击只能作用在磁性粒子上,对非磁性物体是可以穿过的。磁性物质或磁性粒子受到这些冲击时,阻碍它穿过,于是就被带动,发生了偏转。
导线放在磁针的下面,小磁针就向相反方向偏转;如果导线水平地沿东西方向放置,这时不论将导线放在磁针的上面还是下面,磁针始终保持静止。
他认为电流冲击是沿着以导线为轴线的螺旋线方向传播,螺纹方向与轴线保持垂直。这就是形象的横向效应的描述。
奥斯特对磁效应的解释,虽然不完全正确,但并不影响这一实验的重大意义,它证明了电和磁能相互转化,这为电磁学的发展打下基础。
2.其它方面的成就
奥斯特曾经对化学亲合力等作了研究。1822年他精密地测定了水的压缩系数值,论证了水的可压缩性。1823年他还对温差电作出了成功的研究。他对库仑扭秤也作了一些重要的改进。
奥斯特在1825年最早提炼出铝,但纯度不高,以致这项成就在冶金史上归属于德国化学家F.维勒(1827)。他最后一项研究是40年代末期对抗磁体的研究,试图用反极性的反感应效应来解释物质的抗磁性。同一时期M.法拉第在这方面的成就超过了奥斯特及其法国的同辈。法拉第证明不存在所谓的反磁极。并用磁导率和磁力线的概念统一解释了磁性和抗磁性。不过,奥斯特研究抗磁体的方法仍具有很深的影响。
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麦克斯韦(James Clerk Maxwell 1831--1879) 19世纪伟大的英国物理学家、数学家。
在稳恒场理论的基础上,提出了涡旋电场和位移电流的概念:
1. 麦克斯韦提出的涡旋电场的概念,揭示出变化的磁场可以在空间激发电场,并通过法拉第电磁感应定律得出了二者的关系,即
上式表明,任何随时间而变化的磁场,都是和涡旋电场联系在一起的。
2. 麦克斯韦提出的位移电流的概念,揭示出变化的电场可以在空间激发磁场,并通过全电流概念的引入,得到了一般形式下的安培环路定理在真空或介质中的表示形式,即
上式表明,任何随时间而变化的电场,都是和磁场联系在一起的。
综合上述两点可知,变化的电场和变化的磁场彼此不是孤立的,它们永远密切地联系在一起,相互激发,组成一个统一的电磁场的整体。这就是麦克斯韦电磁场理论的基本概念。
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开普勒 德国
他在1609年发表的伟大著作《新天文学》中提出了他的前两个行星运动定律。行星运动第一定律认为每个行星都在一个椭圆形的轨道上绕太阳运转,而太阳位于这个椭圆轨道的一个焦点上。行星运动第二定律认为行星运行离太阳越近则运行就越快,行星的速度以这样的方式变化:行星与太阳之间的连线在等时间内扫过的面积相等。十年后开普勒发表了他的行星运动第三定律:行星距离太阳越远,它的运转周期越长;运转周期的平方与到太阳之间距离的立方成正比。
开普勒定律对行星绕太阳运动做了一个基本完整、正确的描述,解决了天文学的一个基本问题。这个问题的答案曾使甚至象哥白尼、伽利略这样的天才都感到迷惑不解。当时开普勒没能说明按其规律在轨道上运行的原因,到17世纪后期才由艾萨克?牛顿阐明清楚。牛顿曾说过:“如果说我比别人看得远些的话,是因为我站在巨人的肩膀上。”开普勒无疑是他所指的巨人之一。
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赫兹,德国物理学家,
依照麦克斯韦理论,电扰动能辐射电磁波。赫兹根据电容器经由电火花隙会产生振荡原理,设计了一套电磁波发生器,赫兹将一感应线圈的两端接于产生器二铜棒上。当感应线圈的电流突然中断时,其感应高电压使电火花隙之间产生火花。瞬间后,电荷便经由电火花隙在锌板间振荡,频率高达数百万周。由麦克斯韦理论,此火花应产生电磁波,于是赫兹设计了一简单的检波器来探测此电磁波。他将一小段导线弯成圆形,线的两端点间留有小电火花隙。因电磁波应在此小线圈上产生感应电压,而使电火花隙产生火花。所以他坐在一暗室内,检波器距振荡器10米远,结果他发现检波器的电火花隙间确有小火花产生。赫兹在暗室远端的墙壁上覆有可反射电波的锌板,入射波与反射波重叠应产生驻波,他也以检波器在距振荡器不同距离处侦测加以证实。赫兹先求出振荡器的频率,又以检波器量得驻波的波长,二者乘积即电磁波的传播速度。正如麦克斯韦预测的一样。电磁波传播的速度等于光速。1888年,赫兹的实验成功了,而麦克斯韦理论也因此获得了无上的光彩。赫兹在实验时曾指出,电磁波可以被反射、折射和如同可见光、热波一样的被偏振。由他的振荡器所发出的电磁波是平面偏振波,其电场平行于振荡器的导线,而磁场垂直于电场,且两者均垂直传播方向。1889年在一次著名的演说中,赫兹明确的指出,光是一种电磁现象。第一次以电磁波传递讯息是1896年意大利的马可尼开始的。1901年,马可尼又成功的将讯号送到大西洋彼岸的美国。20世纪无线电通讯更有了异常惊人的发展。赫兹实验不仅证实麦克斯韦的电磁理论,更为无线电、电视和雷达的发展找到了途径。
1887年11月5日,赫兹在寄给亥姆霍兹一篇题为《论在绝缘体中电过程引起的感应现象》的论文中,总结了这个重要发现。接着,赫兹还通过实验确认了电磁波是横波,具有与光类似的特性,如反射、折射、衍射等,并且实验了两列电磁波的干涉,同时证实了在直线传播时,电磁波的传播速度与光速相同,从而全面验证了麦克斯韦的电磁理论的正确性。并且进一步完善了麦克斯韦方程组,使它更加优美、对称,得出了麦克斯韦方程组的现代形式。此外,赫兹又做了一系列实验。他研究了紫外光对火花放电的影响,发现了光电效应,即在光的照射下物体会释放出电子的现象。这一发现,后来成了爱因斯坦建立光量子理论的基础。
1888年1月,赫兹将这些成果总结在《论动电效应的传播速度》一文中。赫兹实验公布后,轰动了全世界的科学界。由法拉第开创,麦克斯韦总结的电磁理论,至此才取得决定性的胜利。
1888年,成了近代科学史上的一座里程碑。赫兹的发现具有划时代的意义,它不仅证实了麦克斯韦发现的真理,更重要的是开创了无线电电子技术的新纪元。
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法拉第 英国物理学家、化学家,
法拉第主要从事电学、磁学、磁光学、电化学方面的研究,并在这些领域取得了一系列重大发现。1820年奥斯特发现电流的磁效应之后,法拉第于1821年提出“由磁产生电”的大胆设想,并开始了艰苦的探索。1821年9月他发现通电的导线能绕磁铁旋转以及磁体绕载流导体的运动,第一次实现了电磁运动向机械运动的转换,从而建立了电动机的实验室模型。接着经过无数次实验的失败,终于在1831年发现了电磁感应定律。这一划时代的伟大发现,使人类掌握了电磁运动相互转变以及机械能和电能相互转变的方法,成为现代发电机、电动机、变压器技术的基础。
法拉第是电磁场理论的奠基人,他首先提出了磁力线、电力线的概念,在电磁感应、电化学、静电感应的研究中进一步深化和发展了力线思想,并第一次提出场的思想,建立了电场、磁场的概念,否定了超距作用观点。爱因斯坦曾指出,场的思想是法拉第最富有创造性的思想,是自牛顿以来最重要的发现。麦克斯韦正是继承和发展了法拉第的场的思想,为之找到了完美的数学表示形式从而建立了电磁场理论。
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焦耳 (1818-1889) 英国
1840年,焦耳把环形线圈放入装水的试管内,测量不同电流强度和电阻时的水温。通过这一实验,他发现:导体在一定时间内放出的热量与导体的电阻及电流强度的平方之积成正比。四年之后,俄国物理学家楞次公布了他的大量实验结果,从而进一步验证了焦耳关于电流热效应之结论的正确性。因此,该定律称为焦耳—楞次定律。
焦耳总结出焦耳—楞次定律以后,进一步设想电池电流产生的热与电磁机的感生电流产生的热在本质上应该是一致的。1843年,焦耳设计了一个新实验。将一个小线圈绕在铁芯上,用电流计测量感生电流,把线圈放在装水的容器中,测量水温以计算热量。这个电路是完全封闭的,没有外界电源供电,水温的升高只是机械能转化为电能、电能又转化为热的结果,整个过程不存在热质的转移。这一实验结果完全否定了热质说。
上述实验也使焦耳想到了机械功与热的联系,经过反复的实验、测量,焦耳终于测出了热功当量,但结果并不精确。1843年8月21日在英国学术会上,焦耳报告了他的论文《论电磁的热效应和热的机械值》,他在报告中说1千卡的热量相当于460千克米的功。他的报告没有得到支持和强烈的反响,这时他意识到自己还需要进行更精确的实验。
1844年,焦耳研究了空气在膨胀和压缩时的温度变化,他在这方面取得了许多成就。通过对气体分子运动速度与温度的关系的研究,焦耳计算出了气体分子的热运动速度值,从理论上奠定了波义耳—马略特和盖—吕萨克定律的基础,并解释了气体对器壁压力的实质。焦耳在研究过程中的许多实验是和著名物理学家威廉?汤姆生(后来受封为开尔文勋爵,既JJ?汤姆逊)共同完成的。在焦耳发表的九十七篇科学论文中有二十篇是他们的合作成果。当自由扩散气体从高压容器进入低压容器时,大多数气体和空气的温度都要下降,这一现象就是两人共同发现的。这一现象后来被称为焦耳—汤姆生效应。
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斯蒂芬?威廉姆?霍金(Stephen William Hawking 英国
理论物理学:
70年代霍金与彭罗斯一道证明了著名的奇性定理,他还证明了黑洞的面积定理。霍金的生平是非常富有传奇性的,在科学成就上,他是有史以来最杰出的科学家之一,他超越了相对论、量子力学、大爆炸等理论而迈入创造宇宙的“几何之舞”。尽管他那么无助地坐在轮椅上,他的思想却出色地遨游到光袤的时空,解开了宇宙之谜。
霍金教授是现代科普小说家:
他的代表作是1988年撰写的《时间简史》,这是一篇优秀的天文科普小说。作者想象丰富,构思奇妙,语言优美,字字珠玑,更让人咋惊,世界之外,未来之变,是这样的神奇和美妙。这本书至今累计发行量已达2500万册,被译成近40种语言。
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笛卡儿(Rene Descartes),1596年3月31日生于法国。是伟大的哲学家、物理学家、数学家、生理学家。解析几何的创始人。
笛卡儿的成就
笛卡儿在科学上的贡献是多方面的。但他的哲学思想和方法论,在其一生活动中则占有更重要的地位。他的哲学思想对后来的哲学和科学的发展,产生了极大的影响。
◆物理学方面
笛卡儿靠着天才的直觉和严密的数学推理,在物理学方面做出了有益的贡献。从1619年读了开普勒的光学著作后,笛卡儿就一直关注着透镜理论;并从理论和实践两方面参与了对光的本质、反射与折射率以及磨制透镜的研究。他把光的理论视为整个知识体系中最重要的部分。
笛卡儿运用他的坐标几何学从事光学研究,在《屈光学》中第一次对折射定律提出了理论上的推证。他认为光是压力在以太中的传播,他从光的发射论的观点出发,用网球打在布面上的模型来计算光在两种媒质分界面上的反射、折射和全反射,从而首次在假定平行于界面的速度分量不变的条件下导出折射定律;不过他的假定条件是错误的,他的推证得出了光由光疏媒质进入光密媒质时速度增大的错误结论。他还对人眼进行光学分析,解释了视力失常的原因是晶状体变形,设计了矫正视力的透镜。
在力学上,笛卡儿发展了伽利略的运动相对性的思想,例如在《哲学原理》一书中,举出在航行中的海船上海员怀表的表轮这一类生动的例子,用以说明运动与静止需要选择参照物的道理。
笛卡儿在《哲学原理》第二章中以第一和第二自然定律的形式比较完整地第一次表述了惯性定律:只要物体开始运动,就将继续以同一速度并沿着同一直线方向运动,直到遇到某种外来原因造成的阻碍或偏离为止。这里他强调了伽利略没有明确表述的惯性运动的直线性。
在这一章中,他还第一次明确地提出了动量守恒定律:物质和运动的总量永远保持不变。笛卡儿对碰撞和离心力等问题曾作过初步研究,给后来惠更斯的成功创造了条件。
◆天文学方面
笛卡儿把他的机械论观点应用到天体,发展了宇宙演化论,形成了他关于宇宙发生与构造的学说。他认为,从发展的观点来看而不只是从已有的形态来观察,对事物更易于理解。他创立了漩涡说。他认为太阳的周围有巨大的漩涡,带动着行星不断运转。物质的质点处于统一的漩涡之中,在运动中分化出土、空气和火三种元素,土形成行星,火则形成太阳和恒星。
他认为天体的运动来源于惯性和某种宇宙物质旋涡对天体的压力,在各种大小不同的旋涡的中心必有某一天体,以这种假说来解释天体间的相互作用。笛卡儿的太阳起源的以太旋涡模型第一次依靠力学而不是神学,解释了天体、太阳、行星、卫星、彗星等的形成过程,比康德的星云说早一个世纪,是17世纪中最有权威的宇宙论。
笛卡儿的天体演化说、旋涡模型和近距作用观点,正如他的整个思想体系一样,一方面以丰富的物理思想和严密的科学方法为特色,起着反对经院哲学、启发科学思维、推动当时自然科学前进的作用,对许多自然科学家的思想产生深远的影响;而另一方面又经常停留在直观和定性阶段,不是从定量的实验事实出发,因而一些具体结论往往有很多缺陷,成为后来牛顿物理学的主要对立面,导致了广泛的争论
◆数学方面
笛卡儿最杰出的成就是在数学发展上创立了解析几何学。在笛卡儿时代,代数还是一个比较新的学科,几何学的思维还在数学家的头脑中占有统治地位。笛卡儿致力于代数和几何联系起来的研究,于1637年,在创立了坐标系后,成功地创立了解析几何学。他的这一成就为微积分的创立奠定了基础。解析几何直到现在仍是重要的数学方法之一。
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库仑 (Charlse-Augustin de Coulomb 1736 --1806)法国工程师、物理学家
库仑定理:
库仑定律(Coulomb’s law)是法国物理学家库仑(Coulomb,Charles-Augustin de,1736年-1806年)于1785年发现,并后来用自己的名字命名的一条物理学定律。库仑定律是电学发展史上的第一个定量规律,它使电学的研究从定性进入定量阶段,是电学史中的一块重要的里程碑。
库仑定律:在真空中两个静止的点电荷q1及q2之间的相互作用力的大小和q1q2的乘积成正比,和它们之间的距离r的平方成反比,作用力的方向沿着它们的连线,同号电荷相斥,异号电荷相吸引。
1773年发表有关材料强度的论文,所提出的计算物体上应力和应变分布情况的方法沿用到现在,是结构工程的理论基础。1777年开始研究静电和磁力问题。当时法国科学院悬赏征求改良航海指南针中的磁针问题。库仑认为磁针支架在轴上,必然会带来摩擦,提出用细头发丝或丝线悬挂磁针。研究中发现线扭转时的扭力和针转过的角度成比例关系,从而可利用这种装置测出静电力和磁力的大小,这导致他发明扭秤。他还根据丝线或金属细丝扭转时扭力和指针转过的角度成正比,因而确立了弹性扭转定律。他根据1779年对摩擦力进行分析,提出有关润滑剂的科学理论,于1881年发现了摩擦力与压力的关系,表述出摩擦定律、滚动定律和滑动定律。设计出水下作业法,类似现代的沉箱。1785~1789年,用扭秤测量静电力和磁力,导出著名的库仑定律。库仑定律使电磁学的研究从定性进入定量阶段,是电磁学史上一块重要的里程碑。
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我自己整理的,以上内容包括——
牛顿 阿基米德 爱因斯坦 安培 奥斯特 麦克斯韦 开普勒 赫兹 法拉第 焦耳 霍金 笛卡儿 库伦。
的学术成就介绍。不包括生平。因为字数限制。太简单没意思,更多又贴不下。
这两个问题与“牛顿第二定律为什么是正确的,怎么证明?”一样,没有答案。
麦克斯韦方程组本身就是总结前人的结论和实验结果得到的,主要有:
库伦定理,静电场的高斯定理、环路定理,稳恒磁场的高斯定理、安培环路定理,法拉第电磁感应定律,以及麦克斯韦自己的感生涡旋电场和位移电流假说(这就是你所问的感生电场和磁通连续性的问题)。
需要注意的是,以上这些都是实验实验定律,没有理论证明,也就是说这些理论都不违反实验事实,所以我们从情感上认为它们是“正确的”。麦克斯韦将它们总结过后就是麦克斯韦方程组,我们可以从理论上推导得出这四个方程的自洽性、完备性,也就是说这四个方程互不矛盾,而且在同样的定解条件下解是唯一的。我们就可以从理论上认为它们是“正确的”。到后来,爱因斯坦发展了麦克斯韦的经典电磁学理论,得到电场-磁场四维协变量,可以更完备地解释更多实验现象。于是我们从权威上认为它是“正确的”。
也就是说电动力学中的“麦克斯韦方程组”本身就是一个假设,这就和经典力学中牛顿三大定律;热力学中的第零、一、二、三定律;相对论中的两条基本原理;量子力学中的波函数统计解释等等的一样,都是各个物理学领域中的“基本原理”,也可以说是“基本假设”。所有理论推导都是建立在这些“假设”之上的。
从另一个方面来说,只要我们发现一个现象与这些定理不符,那么这些所谓的“基本原理”就要被改写,甚至是推翻。物理学正是在不断的改写和推翻之中发展的,这个过程是否会终结?是否存在一个大统一的上帝理论?人类是否可以找到这个“最基本的原理”?这本身就是一个科学、或者是哲学难题。
作用老大了啊。你每天都在用电!!还要感谢富兰克林。
电学让你很头疼吗?
电学
“电”一词在西方是从希腊文琥珀一词转意而来的,在中国则是从雷闪现象中引出来的。自从18世纪中叶以来,对电的研究逐渐蓬勃开展。它的每项重大发现都引起广泛的实用研究,从而促进科学技术的飞速发展。
现今,无论人类生活、科学技术活动以及物质生产活动都已离不开电。随着科学技术的发展,某些带有专门知识的研究内容逐渐独立,形成专门的学科,如电子学、电工学等。电学又可称为电磁学,是物理学中颇具重要意义的基础学科。
电学的发展简史
有关电的记载可追溯到公元前6世纪。早在公元前585年,希腊哲学家泰勒斯已记载了用木块摩擦过的琥珀能够吸引碎草等轻小物体,后来又有人发现摩擦过的煤玉也具有吸引轻小物体的能力。在以后的2000年中,这些现象被看成与磁石吸铁一样,属于物质具有的性质,此外没有什么其他重大的发现。
在中国,西汉末年已有“碡瑁(玳瑁)吸偌(细小物体之意)”的记载;晋朝时进一步还有关于摩擦起电引起放电现象的记载“今人梳头,解著衣时,有随梳解结有光者,亦有咤声”。
1600年,英国物理学家吉伯发现,不仅琥珀和煤玉摩擦后能吸引轻小物体,而且相当多的物质经摩擦后也都具有吸引轻小物体的性质,他注意到这些物质经摩擦后并不具备磁石那种指南北的性质。为了表明与磁性的不同,他采用琥珀的希腊字母拼音把这种性质称为“电的”。吉伯在实验过程中制作了第一只验电器,这是一根中心固定可转动的金属细棒,当与摩擦过的琥珀靠近时,金属细棒可转动指向琥珀。
大约在1660年,马德堡的盖利克发明了第一台摩擦起电机。他用硫磺制成形如地球仪的可转动球体,用干燥的手掌摩擦转动球体,使之获得电。盖利克的摩擦起电机经过不断改进,在静电实验研究中起着重要的作用,直到19世纪霍耳茨和推普勒分别发明感应起电机后才被取代。
18世纪电的研究迅速发展起来。1729年,英国的格雷在研究琥珀的电效应是否可传递给其他物体时发现导体和绝缘体的区别:金属可导电,丝绸不导电,并且他第一次使人体带电。格雷的实验引起法国迪费的注意。1733年迪费发现绝缘起来的金属也可摩擦起电,因此他得出所有物体都可摩擦起电的结论。他把玻璃上产生的电叫做“玻璃的”,琥珀上产生的电与树脂产生的相同,叫做“树脂的”。他得到:带相同电的物体互相排斥;带不同电的物体彼此吸引。
1745年,荷兰莱顿的穆申布鲁克发明了能保存电的莱顿瓶。莱顿瓶的发明为电的进一步研究提供了条件,它对于电知识的传播起到了重要的作用。
差不多同时,美国的富兰克林做了许多有意义的工作,使得人们对电的认识更加丰富。1747年他根据实验提出:在正常条件下电是以一定的量存在于所有物质中的一种元素;电跟流体一样,摩擦的作用可以使它从一物体转移到另一物体,但不能创造;任何孤立物体的电总量是不变的,这就是通常所说的电荷守恒定律。他把摩擦时物体获得的电的多余部分叫做带正电,物体失去电而不足的部分叫做带负电。
严格地说,这种关于电的一元流体理论在今天看来并不正确,但他所使用的正电和负电的术语至今仍被采用,他还观察到导体的尖端更易于放电等。早在1749年,他就注意到雷闪与放电有许多相同之处,1752年他通过在雷雨天气将风筝放入云层,来进行雷击实验,证明了雷闪就是放电现象。在这个实验中最幸运的是富兰克林居然没有被电死,因为这是一个危险的实验,后来有人重复这种实验时遭电击身亡。富兰克林还建议用避雷针来防护建筑物免遭雷击,1745年首先由狄维斯实现,这大概是电的第一个实际应用。
18世纪后期开始了电荷相互作用的定量研究。1776年,普里斯特利发现带电金属容器内表面没有电荷,猜测电力与万有引力有相似的规律。1769年,鲁宾孙通过作用在一个小球上电力和重力平衡的实验,第一次直接测定了两个电荷相互作用力与距离二次方成反比。1773年,卡文迪什推算出电力与距离的二次方成反比,他的这一实验是近代精确验证电力定律的雏形。
1785年,库仑设计了精巧的扭秤实验,直接测定了两个静止点电荷的相互作用力与它们之间的距离二次方成反比,与它们的电量乘积成正比。库仑的实验得到了世界的公认,从此电学的研究开始进入科学行列。1811年泊松把早先力学中拉普拉斯在万有引力定律基础上发展起来的势论用于静电,发展了静电学的解析理论。
18世纪后期电学的另一个重要的发展是意大利物理学家伏打发明了电池,在这之前,电学实验只能用摩擦起电机的莱顿瓶进行,而它们只能提供短暂的电流。1780年,意大利的解剖学家伽伐尼偶然观察到与金属相接触的蛙腿发生抽动。他进一步的实验发现,若用两种金属分别接触蛙腿的筋腱和肌肉,则当两种金属相碰时,蛙腿也会发生抽动。
1792年,伏打对此进行了仔细研究之后,认为蛙腿的抽动是一种对电流的灵敏反应。电流是两种不同金属插在一定的溶液内并构成回路时产生的,而肌肉提供了这种溶液。基于这一思想,1799年,他制造了第一个能产生持续电流的化学电池,其装置为一系列按同样顺序叠起来的银片、锌片和用盐水浸泡过的硬纸板组成的柱体,叫做伏打电堆。
此后,各种化学电源蓬勃发展起来。1822年塞贝克进一步发现,将铜线和一根别种金属(铋)线连成回路,并维持两个接头的不同温度,也可获得微弱而持续的电流,这就是热电效应。
化学电源发明后,很快发现利用它可以作出许多不寻常的事情。1800年卡莱尔和尼科尔森用低压电流分解水;同年里特成功地从水的电解中搜集了两种气体,并从硫酸铜溶液中电解出金属铜;1807年,戴维利用庞大的电池组先后电解得到钾、钠、钙、镁等金属;1811年他用2000个电池组成的电池组制成了碳极电弧;从19世纪50年代起它成为灯塔、剧院等场所使用的强烈光电源,直到70年代才逐渐被爱迪生发明的白炽灯所代替。此外伏打电池也促进了电镀的发展,电镀是1839年由西门子等人发明的。
虽然早在1750年富兰克林已经观察到莱顿瓶放电可使钢针磁化,甚至更早在1640年,已有人观察到闪电使罗盘的磁针旋转,但到19世纪初,科学界仍普遍认为电和磁是两种独立的作用。与这种传统观念相反,丹麦的自然哲学家奥斯特接受了德国哲学家康德和谢林关于自然力统一的哲学思想,坚信电与磁之间有着某种联系。经过多年的研究,他终于在1820年发现电流的磁效应:当电流通过导线时,引起导线近旁的磁针偏转。电流磁效应的发现开拓了电学研究的新纪元。
奥斯特的发现首先引起法国物理学家的注意,同年即取得一些重要成果,如安培关于载流螺线管与磁铁等效性的实验;阿喇戈关于钢和铁在电流作用下的磁化现象;毕奥和萨伐尔关于长直载流导线对磁极作用力的实验;此外安培还进一步做了一系列电流相互作用的精巧实验。由这些实验分析得到的电流元之间相互作用力的规律,是认识电流产生磁场以及磁场对电流作用的基础。
电流磁效应的发现打开了电应用的新领域。1825年斯特金发明电磁铁,为电的广泛应用创造了条件。1833年高斯和韦伯制造了第一台简陋的单线电报;1837年惠斯通和莫尔斯分别独立发明了电报机,莫尔斯还发明了一套电码,利用他所制造的电报机可通过在移动的纸条上打上点和划来传递信息。
1855年汤姆孙(即开尔文)解决了水下电缆信号输送速度慢的问题,1866年按照汤姆孙设计的大西洋电缆铺设成功。1854年,法国电报家布尔瑟提出用电来传送声音的设想,但未变成现实;后来,赖斯于1861年实验成功,但未引起重视。1861年贝尔发明了电话,作为收话机,它仍用于现代,而其发话机则被爱迪生的发明的碳发话机以及休士的发明的传声器所改进。
电流磁效应发现不久,几种不同类型的检流计设计制成,为欧姆发现电路定律提供了条件。1826年,受到傅里叶关于固体中热传导理论的启发,欧姆认为电的传导和热的传导很相似,电源的作用好像热传导中的温差一样。为了确定电路定律,开始他用伏打电堆作电源进行实验,由于当时的伏打电堆性能很不稳定,实验没有成功;后来他改用两个接触点温度恒定因而高度稳定的热电动势做实验,得到电路中的电流强度与他所谓的电源的“验电力”成正比,比例系数为电路的电阻。
由于当时的能量守恒定律尚未确立,验电力的概念是含混的,直到1848年基尔霍夫从能量的角度考查,才橙清了电位差、电动势、电场强度等概念,使得欧姆理论与静电学概念协调起来。在此基础上,基尔霍夫解决了分支电路问题。
杰出的英国物理学家法拉第从事电磁现象的实验研究,对电磁学的发展作出极重要的贡献,其中最重要的贡献是1831年发现电磁感应现象。紧接着他做了许多实验确定电磁感应的规律,他发现当闭合线圈中的磁通量发生变化时,线圈中就产生感应电动势,感应电动势的大小取决于磁通量随时间的变化率。后来,楞次于1834年给出感应电流方向的描述,而诺埃曼概括了他们的结果给出感应电动势的数学公式。
法拉第在电磁感应的基础上制出了第一台发电机。此外,他把电现象和其他现象联系起来广泛进行研究,在1833年成功地证明了摩擦起电和伏打电池产生的电相同,1834年发现电解定律,1845年发现磁光效应,并解释了物质的顺磁性和抗磁性,他还详细研究了极化现象和静电感应现象,并首次用实验证明了电荷守恒定律。
电磁感应的发现为能源的开发和广泛利用开创了崭新的前景。1866年西门子发明了可供实用的自激发电机;19世纪末实现了电能的远距离输送;电动机在生产和交通运输中得到广泛使用,从而极大地改变了工业生产的面貌。
对于电磁现象的广泛研究使法拉第逐渐形成了他特有的“场”的观念。他认为:力线是物质的,它弥漫在全部空间,并把异号电荷和相异磁板分别连结起来;电力和磁力不是通过空虚空间的超距作用,而是通过电力线和磁力线来传递的,它们是认识电磁现象必不可少的组成部分,甚至它们比产生或“汇集”力线的“源”更富有研究的价值。
法拉第的丰硕的实验研究成果以及他的新颖的场的观念,为电磁现象的统一理论准备了条件。诺埃曼、韦伯等物理学家对电磁现象的认识曾有过不少重要贡献,但他们从超距作用观点出发,概括库仑以来已有的全部电学知识,在建立统一理论方面并未取得成功。这一工作在19世纪60年代由卓越的英国物理学家麦克斯韦完成。
麦克斯韦认为变化的磁场在其周围的空间激发涡旋电场;变化的电场引起媒质电位移的变化,电位移的变化与电流一样在周围的空间激发涡旋磁场。麦克斯韦明确地用数学公式把它们表示出来,从而得到了电磁场的普遍方程组——麦克斯韦方程组。法拉第的力线思想以及电磁作用传递的思想在其中得到了充分的体现。
麦克斯韦进而根据他的方程组,得出电磁作用以波的形式传播,电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值,其值与光在真空中传播的速度相同,由此麦克斯韦预言光也是一种电磁波。
1888年,赫兹根据电容器放电的振荡性质,设计制作了电磁波源和电磁波检测器,通过实验检测到电磁波,测定了电磁波的波速,并观察到电磁波与光波一样,具有偏振性质,能够反射、折射和聚焦。从此麦克斯韦的理论逐渐为人们所接受。
麦克斯韦电磁理论通过赫兹电磁波实验的证实,开辟了一个全新的领域——电磁波的应用和研究。1895年,俄国的波波夫和意大利的马可尼分别实现了无线电信号的传送。后来马可尼将赫兹的振子改进为竖直的天线;德国的布劳恩进一步将发射器分为两个振荡电路,为扩大信号传递范围创造了条件。1901年马可尼第一次建立了横跨大西洋的无线电联系。电子管的发明及其在线路中的应用,使得电磁波的发射和接收都成为易事,推动了无线电技术的发展,极大地改变了人类的生活。
1896年洛伦兹提出的电子论,将麦克斯韦方程组应用到微观领域,并把物质的电磁性质归结为原子中电子的效应。这样不仅可以解释物质的极化、磁化、导电等现象以及物质对光的吸收、散射和色散现象;而且还成功地说明了关于光谱在磁场中分裂的正常塞曼效应;此外,洛伦兹还根据电子论导出了关于运动介质中的光速公式,把麦克斯韦理论向前推进了一步。
在法拉第、麦克斯韦和洛伦兹的理论体系中,假定了有一种特殊媒质“以太”存在,它是电磁波的荷载者,只有在以太参照系中,真空中光速才严格地与方向无关,麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式也只在以太参照系中才严格成立。这意味着电磁规律不符合相对性原理。
关于这方面问题的进一步研究,导致了爱因斯坦在1905年建立了狭义相对论,它改变了原来的观点,认定狭义相对论是物理学的一个基本原理,它否定了以太参照系的存在并修改了惯性参照系之间的时空变换关系,使得麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式有可能在所有惯性参照系中都成立。狭义相对论的建立不仅发展了电磁理论,并且对以后理论物理的发展具有巨大的作用。
电学的基本内容
电学研究的内容主要包括静电、静磁、电磁场、电路、电磁效应和电磁测量。
静电学是研究静止电荷产生电场及电场对电荷作用规律的学科。电荷只有两种,称为正电和负电。同种电荷相互排斥,异种电荷相互吸引。电荷遵从电荷守恒定律。电荷可以从一个物体转移到另一个物体,任何物理过程中电荷的代数和保持不变。所谓带电,不过是正负电荷的分离或转移;所谓电荷消失,不过是正负电荷的中和。
静止电荷之间相互作用力符合库仑定律:在真空中两个静止点电荷之间作用力的大小与它们的乘积成正比,与它们之间的距离的平方成反比;作用力的方向沿着它们之间的联线,同号电荷相斥,异号电荷相吸。
电荷之间相互作用力是通过电荷产生的电场相互作用的。电荷产生的电场用电场强度(简称场强)来描述。空间某一点的电场强度用正的单位试探电荷在该点所受的电场力来定义,电场强度遵从场强叠加原理。
通常的物质,按其导电性能的不同可分两种情况:导体和绝缘体。导体体内存在可运动的自由电荷;绝缘体又称为电介质,体内只有束缚电荷。
在电场的作用下,导体内的自由电荷将产生移动。当导体的成分和温度均匀时,达到静电平衡的条件是导体内部的电场强度处处等于零。根据这一条件,可导出导体静电平衡的若干性质。
静磁学是研究电流稳恒时产生磁场以及磁场对电流作用力的学科。
电荷的定向流动形成电流。电流之间存在磁的相互作用,这种磁相互作用是通过磁场传递的,即电流在其周围的空间产生磁场,磁场对放置其中的电流施以作用力。电流产生的磁场用磁感应强度描述。
电磁场是研究随时间变化下的电磁现象和规律的学科。
当穿过闭台导体线圈的磁通量发生变化时,线圈上产生感应电流。感应电流的方向可由楞次定律确定。闭合线圈中的感应电流是感应电动势推动的结果,感应电动势遵从法拉第定律:闭台线圈上的感应电动势的大小总是与穿过线圈的磁通量的时间变化率成正比。
麦克斯韦方程组描述了电磁场普遍遵从的规律。它同物质的介质方程、洛仑兹力公式以及电荷守恒定律结合起来,原则上可以解决各种宏观电动力学问题。
根据麦克斯韦方程组导出的一个重要结果是存在电磁波,变化的电磁场以电磁波的形式传播,电磁波在真空中的传播速度等于光速。这也说明光也是电磁波的一种,因此光的波动理论纳入了电磁理论的范畴。
电路包括直流电路和交流电路的研究,是电学的组成部分。直流电路研究电流稳恒条件下的电路定律和性质;交流电路研究电流周期性变化条件下的电路定律和性质。
直流电路由导体(或导线)连结而成,导体有一定的电阻。稳恒条件下电流不随时间变化,电场亦不随时间变化。
根据稳恒时电场的性质、导电基本规律和电动势概念,可导出直流电路的各个实用定律:欧姆定律、基尔霍夫电路定律,以及一些解决复杂电路的有效而简便的定理:等效电源定理、叠加定理、倒易定理、对偶定理等,这些实用定律和定理构成电路计算的理论基础。
交流电路比直流电路复杂得多,电流随时间的变化引起空间电场和磁场的变化,因此存在电磁感应和位移电流,存在电磁波。
电磁效应物质中的电效应是电学与其他物理学科(甚至非物理的学科)之间联系的纽带。物质中的电效应种类繁多,有许多已成为或正逐渐发展为专门的研究领域。比如:
电致伸缩、压电效应(机械压力在电介质晶体上产生的电性和电极性)和逆压电效应、塞贝克效应、珀耳帖效应(两种不同金属或半导体接头处,当电流沿某个方向通过时放出热量,而电流反向时则吸收热量)、汤姆孙效应(一金属导体或半导体中维持温度梯度,当电流沿某方向通过时放出热量,而电流反向时则吸收热量)、热敏电阻(半导体材料中电阻随温度灵敏变化)、光敏电阻(半导体材料中电阻随光照灵敏变化)、光生伏打效应(半导体材料因光照产生电位差),等等。
对于各种电效应的研究有助于了解物质的结构以及物质中发生的基本过程,此外在技术上,它们也是实现能量转换和非电量电测法的基础。
电磁测量也是电学的组成部分。测量技术的发展与学科的理论发展有着密切的联系,理论的发展推动了测量技术的改进;测量技术的改善在新的基础上验证理论,并促成新理论的发现。
电磁测量包括所有电磁学量的测量,以及有关的其他量(交流电的频率、相角等)的测量。利用电磁学原理已经设计制作出各种专用仪表(安培计,伏特计、欧姆计、磁场计等)和测量电路,它们可满足对各种电磁学量的测量。
电磁测量的另一个重要的方面是非电量(长度、速度、形变、力、温度、光强、成分等)的电测量。它的主要原理是利用电磁量与非电量相互联系的某种效应,将非电量的测量转换为电磁量的测量。由于电测量有一系列优点:准确度高、量程宽、惯量小、操作简便,并可远距离遥测和实现测量技术自动化,非电量的电测量正在不断发展。
电学与其它学科
电学作为经典物理学的一个分支,就其基本原理而言,已发展得相当完善,它可用来说明宏观领域内的各种电磁现象。
20世纪,随着原子物理学、原子核物理学和粒子物理学的发展,人类的认识深入到微观领域,在带电粒子与电磁场的相互作用问题上,经典电磁理论遇到困难。虽然经典理论曾给出一些有用的结果,但是许多现象都是经典理论不能说明的。经典理论的局限性在于对带电粒子的描述忽略了其波动性方面,而对于电磁波的描述又忽略了其粒子性方面。
按照量子物理的观点,无论是物质粒子或电磁场都既有粒子性,又具有波动性。在微观物理研究的推动下,经典电磁理论发展为量子电磁理论。
狭义相对论(Special Relativity)是主要由爱因斯坦创立的时空理论,是对牛顿时空观的改造。
伽利略变换与电磁学理论的不自洽
到19世纪末,以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实,但麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。
迈克尔孙寻找以太的实验
为解决这一矛盾,物理学家提出了“以太假说”,即放弃相对性原理,认为麦克斯韦方程组只对一个绝对参考系(以太)成立。根据这一假说,由麦克斯韦方程组计算得到的真空光速是相对于绝对参考系(以太)的速度;在相对于“以太”运动的参考系中,光速具有不同的数值。
实验的结果——零结果
但斐索实验和迈克耳逊-莫雷实验表明光速与参考系的运动无关。
洛仑兹坐标变换
洛仑兹变换是描述狭义相对论空间中各参考系间关系的变换。它最早由洛仑兹从以太说推出,用以解决经典力学与经典电磁学间的矛盾(即迈克尔孙-莫雷实验的零结果)。后被爱因斯坦用于狭义相对论。
1632年,伽利略出版了他的名著《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》。书中那位地动派的“萨尔维阿蒂”对上述问题给了一个彻底的回答。他说:“把你和一些朋友关在一条大船甲板下的主舱里,让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫,舱内放一只大水碗,其中有几条鱼。然后,挂上一个水瓶,让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里。船鱼向各个方向随便游动,水滴滴进下面的罐口,你把任何东西扔给你的朋友时,只要距离相等,向这一方向不必比另一方向用更多的力。你双脚齐跳,无论向哪个方向跳 过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情之后,再使船以任何速度前进,只要运动是匀速,也不忽左忽右地摆动,你将发现,所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定,船是在运动还是停着不动。即使船运动得相当快,你跳向船尾也不会比跳向船头来得远。虽然你跳到空中时,脚下的船底板向着你跳的相反方向移动。你把不论什么东西扔给你的同伴时,不论他是在船头还是在船尾,只要你自己站在对面,你也并不需要用更多的力。水滴将象先前一样,滴进下面的罐子,一滴也不会滴向船尾。虽然水滴在空中时,船已行驶了许多柞(为大指尖到小指尖伸开之长,通常为九英寸,是古代的一种长度单位)。鱼在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部来得大;它们一样悠闲地游向放在水碗边缘任何地方的食饵。最后,蝴蝶和苍蝇继续随便地到处飞行,它们也决不会向船尾集中,并不因为它们可能长时间留在空中,脱离开了船的运动,为赶上船的运动而显出累的样子。”
萨尔维阿蒂的大船道出一条极为重要的真理,即:从船中发生的任何一种现象,你是无法判断船究竟是在运动还是停着不动。现在称这个论断为伽利略相对性原理。
用现代的语言来说,萨尔维阿蒂的大船就是一种所谓惯性参考系。就是说,以不同的匀速运动着而又不忽左忽右摆动的船都是惯性参考系。在一个惯性系中能看到的种种现象,在另一个惯性参考系中必定也能无任何差别地看到。亦即,所有惯性参考系都是平权的、等价的。我们不可能判断哪个惯性参考系是处于绝对静止状态,哪一个又是绝对运动的。
伽利略相对性原理不仅从根本上否定了地静派对地动说的非难,而且也否定了绝对空间观念(至少在惯性运动范围内)。所以,在从经典力学到相对论的过渡中,许多经典力学的观念都要加以改变,唯独伽利略相对性原理却不仅不需要加以任何修正,而且成了狭义相对论的两条基本原理之一。
狭义相对论的两条原理 1905年,爱因斯坦发表了狭义相对论的奠基性论文《论运动物体的电动力学》。关于狭义相对论的基本原理,他写道: “下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的,这两条原理我们规定如下:
1.物理体系的状态据以变化的定律,同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。
2.任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着,不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。”
其中第一条就是性原理,第二条是光速不变性。整个狭义相对论就建筑在这两条基本原理上。
爱因斯坦的哲学观念是,自然界应当是和谐而简单的。的确,他的理论常有一种引人注目的特色:出于简单而归于深奥。狭义相对论就是具有这种特色的一个体系。狭义相对论的两条基本原理似乎是并不难接受的“简单事实”,然而它们的推论却根本地改变了牛顿以来物理学的根基。
广义相对论
爱斯坦的第二种相对性理论(1916年)。该理论认为引力是由空间——时间几何(也就是,不仅考虑空间中的点之间,而是考虑在空间和时间中的点之间距离的几何)的畸变引起的,因而引力场影响时间和距离的测量.
广义相对论:爱因斯坦的基于科学定律对所有的观察者(而不管他们如何运动的)必须是相同的观念的理论。它将引力按照四维空间—时间的曲率来解释。
广义相对论(General Relativity?)是爱因斯坦于1915年以几何语言建立而成的引力理论,统合了狭义相对论和牛顿的万有引力定律,将引力改描述成因时空中的物质与能量而弯曲的时空,以取代传统对于引力是一种力的看法。因此,狭义相对论和万有引力定律,都只是广义相对论在特殊情况之下的特例。狭义相对论是在没有重力时的情况;而万有引力定律则是在距离近、引力小和速度慢时的情况。
背景
爱因斯坦在1907年发表了一篇探讨光线在狭义相对论中,重力和加速度对其影响的论文,广义相对论的雏型就此开始形成。1912年,爱因斯坦发表了另外一篇论文,探讨如何将重力场用几何的语言来描述。至此,广义相对论的运动学出现了。到了1915年,爱因斯坦场方程式被发表了出来,整个广义相对论的动力学才终于完成。
1915年后,广义相对论的发展多集中在解开场方程式上,解答的物理解释以及寻求可能的实验与观测也占了很大的一部份。但因为场方程式是一个非线性偏微分方程,很难得出解来,所以在电脑开始应用在科学上之前,也只有少数的解被解出来而已。其中最著名的有三个解:史瓦西解(the Schwarzschild solution (1916)), the Reissner-Nordstr?m solution and the Kerr solution。
在广义相对论的观测上,也有著许多的进展。水星的岁差是第一个证明广义相对论是正确的证据,这是在相对论出现之前就已经量测到的现象,直到广义相对论被爱因斯坦发现之后,才得到了理论的说明。第二个实验则是1919年爱丁顿在非洲趁日蚀的时候量测星光因太阳的重力场所产生的偏折,和广义相对论所预测的一模一样。这时,广义相对论的理论已被大众和大多的物理学家广泛地接受了。之后,更有许多的实验去测试广义相对论的理论,并且证实了广义相对论的正确。
另外,宇宙的膨涨也创造出了广义相对论的另一场高潮。从1922年开始,研究者们就发现场方程式所得出的解答会是一个膨涨中的宇宙,而爱因斯坦在那时自然也不相信宇宙会来涨缩,所以他便在场方程式中加入了一个宇宙常数来使场方程式可以解出一个隐定宇宙的解出来。但是这个解有两个问题。在理论上,一个隐定宇宙的解在诉学上不是稳定。另外在观测上,1929年,哈伯发现了宇宙其实是在膨涨的,这个实验结果使得爱因斯坦放弃了宇宙常数,并宣称这是我一生最大的错误(the biggest blunder in my career)。
但根据最近的一形超新星的观察,宇宙膨胀正在加速。所以宇宙常数似乎有败部复活的可能性,宇宙中存在的暗能量可能就必须用宇宙常数来解释.
基本假设
等效原理:引力和惯性力是完全等效的。
广义相对性原理:物理定律的形式在一切参考系都是不变的。
主要内容
爱因斯坦提出“等效原理”,即引力和惯性力是等效的。这一原理建立在引力质量与惯性质量的等价性上。根据等效原理,爱因斯坦把狭义相对性原理推广为广义相对性原理,即物理定律的形式在一切参考系都是不变的。物体的运动方程即该参考系中的测地线方程。测地线方程与物体自身固有性质无关,只取决于时空局域几何性质。而引力正是时空局域几何性质的表现。物质质量的存在会造成时空的弯曲,在弯曲的时空中,物体仍然顺着最短距离进行运动(即沿着测地线运动——在欧氏空间中即是直线运动),如地球在太阳造成的弯曲时空中的测地线运动,实际是绕着太阳转,造成引力作用效应。正如在弯曲的地球表面上,如果以直线运动,实际是绕着地球表面的大圆走。
引力是时空局域几何性质的表现。虽然广义相对论是爱因斯坦创立的,但是它的数学基础的源头可以追溯到欧氏几何的公理和数个世纪以来为证明欧几里德第五公设(即平行线永远保持等距)所做的努力,这方面的努力在罗巴切夫斯基、Bolyai、高斯的工作中到达了顶点:他们指出欧氏第五公设是不能用前四条公设证明的。非欧几何的一般数学理论是由高斯的学生黎曼发展出来的。所以也称为黎曼几何或曲面几何,在爱因斯坦发展出广义相对论之前,人们都认为非欧几何是无法应用到真实世界中来的。
在广义相对论中,引力的作用被“几何化”——即是说:狭义相对论的闵氏空间背景加上万有引力的物理图景在广义相对论中变成了黎曼空间背景下不受力(假设没有电磁等相互作用)的自由运动的物理图景,其动力学方程与自身质量无关而成为测地线方程,而万有引力定律也代之以爱因斯坦场方程
麦克斯韦是19世纪伟大的英国物理学家、数学家。1831年11月13日生于苏格兰的爱丁堡,自幼聪颖,父亲是个知识渊博的律师,使麦克斯韦从小受到良好的教育。10岁时进入爱丁堡中学学习14岁就在爱丁堡皇家学会会刊上发表了一篇关于二次曲线作图问题的论文,已显露出出众的才华。1847年进入爱丁堡大学学习数学和物理。1850年转入剑桥大学三一学院数学系学习,1854年以第二名的成绩获史密斯奖学金,毕业留校任职两年。1856年在苏格兰阿伯丁的马里沙耳任自然哲学教授。1860年到伦敦国王学院任自然哲学和天文学教授。1861年选为伦敦皇家学会会员。1865年春辞去教职回到家乡系统地总结他的关于电磁学的研究成果,完成了电磁场理论的经典巨著《论电和磁》,并于1873年出版,1871年受聘为剑桥大学新设立的卡文迪什试验物理学教授,负责筹建著名的卡文迪什实验室,1874年建成后担任这个实验室的第一任主任,直到1879年11月5日在剑桥逝世。
麦克斯韦主要从事电磁理论、分子物理学、统计物理学、光学、力学、弹性理论方面的研究。尤其是他建立的电磁场理论,将电学、磁学、光学统一起来,是19世纪物理学发展的最光辉的成果,是科学史上最伟大的综合之一。他预言了电磁波的存在。这种理论遇见后来得到了充分的实验验证。他为物理学树起了一座丰碑。造福于人类的无线电技术,就是以电磁场理论为基础发展起来的。
麦克斯韦大约于1855年开始研究电磁学,在潜心研究了法拉第关于电磁学方面的新理论和思想之后,坚信法拉第的新理论包含着真理。于是他抱着给法拉第的理论“提供数学方法基础”的愿望,决心把法拉第的天才思想以清晰准确的数学形式表示出来。他在前人成就的基础上,对整个电磁现象作了系统、全面的研究,凭借他高深的数学造诣和丰富的想象力接连发表了电磁场理论的三篇论文:《论法拉第的力线》(1855年12 月至1856年2月);《论物理的力线》(1861至1862年);《电磁场的动力学理论》(1864年12月8日)。对前人和他自己的工作进行了综合概括,将电磁场理论用简洁、对称、完美数学形式表示出来,经后人整理和改写,成为经典电动力学主要基础的麦克斯韦方程组。据此,1865年他预言了电磁波的存在,电磁波只可能是横波,并计算了电磁波的传播速度等于光速,同时得出结论:光是电磁波的一种形式,揭示了光现象和电磁现象之间的联系。1888年德国物理学家赫兹用实验验证了电磁波的存在。麦克斯韦于1873年出版了科学名著《电磁理论》。系统、全面、完美地阐述了电磁场理论。这一理论成为经典物理学的重要支柱之一。在热力学与统计物理学方面麦克斯韦也作出了重要贡献,他是气体动理论的创始人之一。1859年他首次用统计规律得出麦克斯韦速度分布律,从而找到了由微观两求统计平均值的更确切的途径。1866年他给出了分子按速度的分布函数的新推导方法,这种方法是以分析正向和反向碰撞为基础的。他引入了驰豫时间的概念,发展了一般形式的输运理论,并把它应用于扩散、热传导和气体内摩擦过程。1867年引入了“统计力学”这个术语。麦克斯韦是运用数学工具分析物理问题和精确地表述科学思想的大师,他非常重视实验,由他负责建立起来的卡文迪什实验室,在他和以后几位主任的领导下,发展成为举世闻名的学术中心之一。他善于从实验出发,经过敏锐的观察思考,应用娴熟的数学技巧,从缜密的分析和推理,大胆地提出有实验基础的假设,建立新的理论,再使理论及其预言的结论接受实验检验,逐渐完善,形成系统、完整的理论。特别是汤姆孙W卓有成效地运用类比的方法使麦克斯韦深受启示,使他成为建立各种模型来类比研究不同物理现象的能手。在他的电磁场理论的三篇论文中多次使用了类比研究方法,寻找到了不同现象之间的联系,从而逐步揭示了科学真理。
麦克斯韦严谨的科学态度和科学研究方法是人类极其宝贵的精神财富。
麦克斯韦
父亲的影响
在科学史上,一些重大的理论,常常要靠许多人的前赴后继、不辞劳苦的努力,才能创立起来。19世纪,导致物理学爆发一场革命的电磁理论的创立,就是这样的。从奥斯特、安培发现电流的磁效应开始,经过法拉第的奠基,到理论的完成,前后经历了半个多世纪。最后完成这个理论的人,是英国杰出的数学家物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦。
《论法拉第的力线》这篇论文,虽然基本上是对法拉第力线概念的数学
“翻译”,却是十分重要的一步。因为麦克斯韦一开始就使用了数学方法,而且选定了法拉第学说的精髓——力线思想,当做自己研究的起点。这表明麦克斯韦的科学洞察力确实是不同来凡响的。他认准了主攻方向,就坚定不移地研究下去。他后来的一系列论文,步步深入,都是沿着这条正确道路走的。这一点,是他比汤姆生高明的地方。汤姆生已经走到真理的边缘,却迟疑不前;麦克斯韦抓住了真理,就锲而不舍。所以麦克斯韦尽管起步比较迟,却第一个登上了光辉的顶峰。
科学的道路总是不平坦的。正当麦克斯韦的研究很有希望的时候,一桩不幸的事情打断了他的计划。一天,他正在埋头研究几篇新近的电学资料,邮递员送来一封家信。他拿到信,一眼看出不是父亲的笔迹,心头不由一惊。他许久以来担心的事情终于发生了。父亲年老体弱,健康恶化,突然病倒在床。那封信是父亲请别人代写的。麦克斯韦读完信,心里十分焦虑和难过。他对父亲的感情是非常深的。从幼年起,父亲就是他的良师益友,也是整个家庭的支柱。十几年来,他们朝夕相处,十分融洽。麦克斯韦离家求学以后,他们几乎每天通信,交换各种科学思想和对社会的见解,也畅谈有趣的日常生活。
为了照顾父亲,麦克斯韦只得离开剑桥大学,到离家比较近的阿伯丁工作。阿伯丁是英国北部的一个海港,那里的一所学院答应让麦克斯韦担任自然哲学讲师,可是需要等一段时间。麦克斯韦整夜守在父亲床前,尽力减轻老人的病痛。但是不论他怎样小心伺候,还是没有挡住死神的降临。1856年春天快要到来的时候,父亲终于离开了人间。这在麦克斯韦生活中,无疑是不可弥补的损失。他悲痛的心情久久不能平息。
不久,阿伯丁的马锐斯凯尔学院正式聘请他当自然哲学教授。麦克斯韦在就职以前,回到剑桥大学办理一些事务,停留了好几个月。他当时的心情很矛盾。对于母校,他是留恋的,而且父亲已经去世,他留在阿伯丁的意义也不大了,更主要的是他的电磁研究刚刚开始,他不知道在阿伯丁有没有合适的研究条件。但是,马锐斯凯尔学院已经给他下了聘书,据说院长很赏识他,他不好推脱,只得上任了。这一去,他的电磁研究竟推迟了四年。
法拉第的启发
1860年初夏,马锐斯凯尔学院的物理学讲座由于某种原因停办了。28的麦克斯韦离开阿伯丁港,到伦敦皇家学院去任教。他的妻子也随同前往。这次工作调动,是麦克斯韦一生事业的转折点。
在这以前,还有一段小小的插曲。麦克斯韦最初的母校爱丁堡大学,也要聘请一个自然哲学教授。他开始是准备去那里的。应选的一共有三个人,另外两个是他在剑桥大学的同学,其中一个还是中学的同学。三个人里究竟应该取谁,当局决定通过考试来决定。要是论学问,麦克斯韦稳拿第一,但是比口才,他吃亏了。考试结果,麦克斯韦名列最后,连主考人对他的讲课能力都表示怀疑。当时一家爱丁堡杂志评论这件事,也很替他惋惜。俗话说:
“塞翁失马,安知非福”,麦克斯韦没有被爱丁堡大学选中,自然是件憾事,但是他却因为这个转到了皇家学院,完成了一生中最重要的贡献。
麦克斯韦在阿伯丁的四年时间里,一直怀着一桩心事,就是想用数学工具表达法拉第的学说。他的这个愿望,1855年只开了个头就搁下了。就是在研究土星的苦战中,只要见到有关电磁学方面的文章,也都会引起他密切的关注。他经常给法拉第写信,探索电磁的奥秘。他的案头一直摆着《电学实验研究》。每次打开这部辉煌的巨著,他的情绪就十分激动。法拉第,这位他当时还没有见过的伟人,给物理学描绘了一幅多么形象的图画啊!电、磁、光、力线、波动……在它们背后隐藏着什么规律呢?
麦克斯韦到伦敦以后特地拜访法拉第。这是一次难忘的会晤。青年物理学家递上名片,不一会儿,法拉第面带微笑地走了出来。这位实验大师已经年近七旬,两鬓斑白。他同麦克斯韦一见如故,亲切地交谈起来。
这两位伟人,他们不但在年龄上相差40岁,而且在性格、爱好、特长等方面也迥然不同,可是他们对物质世界的看法却产生了共鸣。这真是奇妙的结合:法拉第快活、和蔼,麦克斯韦严肃、机智。老师是一团温暖的火,学生像一把锋利的剑。麦克斯韦不善于辞令,法拉第演讲起来却是娓娓动听。一个不精通数学,另一个却对数学运用自如。两个人的科学方法也恰好相反:法拉第主要是实验探索,麦克斯韦擅长理论概括。可以说,他们在许多方面是互相补充的;爱因斯坦曾经把他们称做一对,说他们就像伽利略和牛顿一样,相辅相成。麦克斯韦自己也谈到过这一点:“因为人的心灵各有它不同的类型,科学的真理也就应该用种种不同的形式表现,不管它是用具有生动的物理学色彩的定性形式出现,还是用朴素无华的一种符号表示出现,它都应该被当做是同样科学的。”这话自然是对的,字里行间流露出对法拉第的尊敬。不过,不同的科学方法,发掘科学的深度却常常不同。法拉第用直观而形象的方式表达的真理,麦克斯韦最后用惊人的数学才能把它总结出来,并且提到理论的高度,所以他的认识就更深刻,更透入事物的本质,因此更带有普遍性。
4年以前,法拉第曾经称赞过《论法拉第的力线》这篇论文,他没有料到论文的作者竟这样年轻。当麦克斯韦征求他对论文的看法的时候,法拉第说:“我不认为自己的学说一定是真理,但是你是真正理解它的人。”
“先生能给我指出论文的缺点吗?”麦克斯韦谦虚地说。
“这是一篇出色的论文。”法拉第沉思地说,“但是,你不应该停留在用数学来解释我的观点,你应该突破它!”
法拉第的话像一盏明灯,照亮了青年物理学家麦克斯韦前进的道路。他马上用最大的热情投入新的战斗。
他设计了一个理论模型,试图对法拉第的力线观念作进一步探讨。这个模型完全建立在机械结构的类比上,有人称它是“以太模型”,现在看上去既枯燥又很不好懂。一位英国现代科学史家,用了整页篇幅也没有说清楚。事实上,麦克斯韦在晚期的著作里也舍弃了这个模型。奇怪的是,麦克斯韦竟把它当作跳板,成功地登上了真理的彼岸。
大厦终于落成
在讨论以太模型的时候,麦克斯韦对自己发现的一个重要事实引起了极大的注意。他分析了法拉第对电介质的研究以后,确认在电场变化着的电介质中,也存在电流,他把这称做“位移电流”。另外,他还计算出这种电流的速度。麦克斯韦惊奇地发现:位移电流的速度恰好等于光速!
这是偶然的巧合吗?天下哪有这样的巧事。他兴奋得几天都没有睡好觉,妻子帮他仔细核对了好几遍,数据确实没有差错。这意味着他计算出了电磁波的传播速度同光速是相等的,这是个非常了不起的发现,尽管他当时还没有完全意识到这一点。几天后,他写信给法拉第报告了这个结果。他在信里说,他计算出的电磁波的传播速度是“每秒310740公里”,而“12年以前菲索(1819~1896)用直接实验测定的光速,却是每秒314858公里!”信寄出的时间是1861年10月19日。法拉第有没有给他回信,史料上没有记载。但是毫无疑问,正是这个发现,促使麦克斯韦4年以后断定光就是电磁波。
1862年,麦克斯韦在英国《哲学杂志》第4卷23期上,发表了第二篇电磁学论文《论物理学的力线》。文章一登出来,立刻引起了广泛的注意。英国著名物理学家、电子的发现人约瑟夫·汤姆逊后来回忆说:“我到现在还清晰地记得那篇论文。当时,我还是一个18岁的孩子,一读到它,我就兴奋极了!那是一篇非常长的文章,我竟把它全部抄下来了。”
这的确是一篇划时代的论文,它同1855年的《论法拉第的力线》相比,有了质的飞跃。论文不再是法拉第观点的单纯数学翻译,而是作了重大的引申和发展。其中具有决定意义的一步,是引进了“位移电流”的概念。这以前,包括法拉第在内,人们讨论电流产生磁场的时候,指的总是传导电流,也就是在导体中自由电子运动所形成的电流。麦克斯韦在研究中感到这个旧概念存在很大的矛盾。比如在连接交变电源的电容器中,电介质里并不存在自由电荷,也就是没有传导电流,但是磁场却同样存在。麦克斯韦经过反复思考和分析,毅然指出,这里的磁场是由另一种类型的电流形成的,这种电流在任何电场变化着的电介质中都存在,它和传导电流一起,形成了闭合的总电流。麦克斯韦通过严密的数学推导,求出了表示这种电流的方程式,把它称做位移电流。
从理论上引出位移电流的概念,实在是电磁学上继法拉第电磁感应以后的一项重大突破。根据这个科学假设,麦克斯韦推导出两个高度抽象的微分方程式 (方程式直到1865年才最后完善),这就是著名的麦克斯韦方程式。这组方程式,从两方面发展了法拉第的成就。一是位移电流,它表明不但变化着的磁场产生电场,而且变化着的电场也产生磁场;二是方程式不但完满地解释了电磁感应现象,而且还在理论上进行了总结。就是凡是有磁场变化的地方,它的周围不管是导体或者电介质,都有感应电场存在。经过麦克斯韦创造性的总结,电磁现象的规律,终于被他用不可动摇的数学形式揭示出来。电磁学到这时才开始成为一种科学的理论。
在自然科学史上,只有当某一种科学达到了高峰,才可能用数学表示成定律形式。这些定律不但能够解释已知的物理现象,而且还可以揭示出某些还没有发现的东西。正像牛顿的万有引力定律预见了海王星一样,麦克斯韦在《论物理学的力线》中,预见了电磁波的存在。他指出,既然交变的电场会产生交变的磁场,交变的磁场又会产生交变的电场,那么,这种交变的电磁场就会用波的形式向空间散布开去。当时,麦克斯韦才31岁,这是他一生中最辉煌的一年。
麦克斯韦继续向电磁学领域的深度进军。1865年,他发表了第三篇电磁学论文《电磁场动力学》。论文发表在《伦敦皇家学会学报》上。在这篇重要文献中,麦克斯韦方程的形式更完善了。他采用法国数学家、力学家拉格朗日(1736~1813)和爱尔兰数学家、物理学家哈密顿(1805~1865)创立的数学方法,由那组方程式直接推导出了电场和磁场的波动方程,电磁波的传播速度根据那个波动方程的系数计算,正好等于光速!这同麦克斯韦4年以前推算的那个比值完全一样。直到这个时候,电磁波的存在是确定无疑的了!因此他大胆断定,光也是一种电磁波。法拉第当年关于光的电磁理论的朦胧猜想,就这样由麦克斯韦变成了科学的理论。法拉第和麦克斯韦的名字,从此联系在一起,就跟伽利略和牛顿的名字一样,在物理学上永放光彩。
麦克斯韦在伦敦皇家学院总共任教5年。这5年是他一生中的多产时期。除了建立电磁理论以外,他在分子物理学、气体动力学上也都有贡献。
1865年,麦克斯韦正式宣布光的电磁学以后不久,就辞去皇家学院的教席,回到他的家乡格伦莱庄园系统地总结研究成果,撰写电磁学专著。经过几年苦干,他写的《电磁学通论》在1873年问世。这是一部电磁理论的经典著作,麦克斯韦系统地总结了19世纪中叶前后,库仑、安培、奥斯特、法拉第和他本人对电磁现象的研究成果,建立了完整的电磁理论。这部巨著的重大意义,完全可以同牛顿的《数学原理》(力学)和达尔文的《物种起源》
(生物学)相比较,它也是人类智慧的结晶。
电磁理论的宏伟大厦,经过几代人的努力,巍然矗立起来了!《电磁学通论》的出版成了当时物理学界的一件大事。当时麦克斯韦已经回到剑桥大学任教,他的朋友和学生对这部书已经期待很久了。人们争先恐后地到书店里去购买,第一版几天就卖完了。
最后的评价
《电磁学通论》虽然一抢而空,但是真正读懂的人却寥寥无几。不久,就听到有人批评它艰深难懂。当然,高度抽象的麦克斯韦微分方程,毕竟不像 2×2=4那么简单。单是两个公式、几个数学符号,就包罗了电荷、电流、电磁、光等自然界一切电磁现象的规律,这在一般人看来,确实是不可思议的。另外,还有一个更主要的原因,就是从麦克斯韦宣布他的理论以后,一直没有人发现电磁波。而能否证明有电磁波存在,是检验麦克斯韦理论的关键。因此许多物理学家都抱着怀疑态度。就连从前热情鼓励麦克斯韦的威廉·汤姆生,也不敢肯定麦克斯韦的预言是否可靠。
麦克斯韦的电磁理论,在物理学上有划时代的意义。遗憾的是,麦克斯韦本人没有能够证实自己的理论(在一定程度上可以说是“没有去证实”)。这有客观原因,也有主观原因。由于环境和工作条件的限制,麦克斯韦一直没有更多的机会从事电磁实验。热力学和分子物理学的研究,耗去了他大部分时间和精力。再有,他主要是个理论物理学家。就像他的学生弗莱明(1849~1945)后来所说的那样,“他从理论上预言了电磁波的存在,但是好像从来没有想到过要用什么实验去证明它。”法拉第一辈子都没有离开过实验,可以说没有实验就没有法拉第。麦克斯韦恰好相反,他只是在伦敦的5年里进行了一些有限的实验,而且多半是气体动力学方面的。他的寓所,靠近屋顶的地方有一间狭长的阁楼,那就是他的实验室。他的妻子常常给他当助手,生火炉,调节室内温度,条件相当简陋。后来在皇家学院实验室里,他作过一些电学实验,也多只是测定标准电阻这一类工作。《电磁学通论》完成以后,麦克斯韦忙着筹建卡文迪许实验室,整理卡文迪许 (1731~1810)的遗著。
由于以上这些原因,电磁理论问世以后,在相当长的时间里没有得到承认。最初只有剑桥大学的一些青年物理学家支持它。许多人,包括一批有威望的科学家,对还没有被证明的新理论,都采取观望态度。劳厄(1879~1960)在《物理学史》中曾经这样评论说:“尽管麦克斯韦理论具有内在的完美性,并且和一切经验相符合,但是只能逐渐地被物理学家们接受。它的思想太不平常了,甚至像赫尔姆霍茨和波尔茨曼(1844~1906)这样有异常才能的人,为了理解它也花了几年的力气。”
几个春秋过去了。麦克斯韦把他的心血默默地献给了卡文迪许实验室。这座实验室在1872年破土,到1874年完工。修建经费是一位鼓励科学的公爵捐赠的。为了增添仪器,麦克斯韦也拿出了自己不多的积蓄。在整个筹建过程中,从设计、施工、仪器购置,直到大门上的题词,麦克斯韦都亲自过问。它是实验室的创建人,也是第一任主任。后来相继接替他的是瑞利(1842~1919)和约瑟夫·汤姆逊,汤姆逊以后是卢瑟福(1871~1937),他们都是世界第一流的物理学家。这座实验室开花结果的时期在20世纪。大批优秀的科学人才,尤其是原子能物理方面的人才,都是从这里培养出来的。
麦克斯韦最后几年的主要工作,是整理卡文迪许留下的大量资料。这项由公爵委托给他的任务,工作相当繁重。卡文迪许是18世纪一位性情怪僻的英国著名物理学家和化学家。他曾经发现氢气,确实水的化学组成,第一个计算地球的质量,在静电学上也很有研究。他终身未娶,为人腼腆,喜欢离群索居,死后留下二十多扎没有发表的科学手稿,大多涉及数学和电学,其中不少很有价值的东西埋没了几乎半个世纪。整理这些资料是一件非常细致而困难的工作,麦克斯韦为了完成这项工作,作出了很大的牺牲:他放弃了自己的研究,耗尽了精力。
除了卡文迪许实验室的日常事务以外,麦克斯韦每学期都要主讲一门课,内容是电磁学或者热力学。他在讲台上热心地宣传电磁理论,推广新学说。可惜听众不多。他本来就不善于讲演,更何况电磁理论是那样的高深,同传统的物理学大相径庭呢!1878年5月,他举行了一次有关电话的科普讲演。电话当时还是新事物,刚刚破土而出。1875年贝尔发明电话,第二年取得专利,1877年爱迪生公布阻抗式送话器。这些人类电信史上的新发明,引起了麦克斯韦莫大的兴趣。可能,他当时已经预感到,他的理论总有一天会给这些发明插上双翅,传遍全球。
麦克斯韦后期的生活充满了烦恼。他的学说没有人理解,妻子又久病不愈。这双重的不幸,压得他精疲力尽。妻子生病以后,整个家庭生活的秩序都乱了。麦克斯韦对妻子一向体贴入微,为了看护妻子,他曾经整整三个星期没有在床上睡过觉。尽管这样,他的讲演,他的实验室工作,却从来没有中断过。过分的焦虑和劳累,终于损害了他的健康。同事们注意到这位无私的科学家在渐渐地消瘦下去,面色也越来越苍白。但是,他还是那样顽强地工作。
1879年11月5日,麦克斯韦患癌症去世,终年只有49岁。物理学史上一颗可以同牛顿交相辉映的明星陨落了。他正当壮年就不幸夭折,这是非常可惜的。他的理论为近代科学技术开辟了一条崭新的道路,可是他的功绩,在他活着的时候却没有得到人们重视。麦克斯韦的一生,是咤叱风云的一生,也是自我牺牲的一生。这位科学巨匠生前的荣誉远远不及法拉第,直到他死后许多年,在赫兹证明了电磁波存在以后人们才意识到,并且公认他是“牛顿以后世界上最伟大的数学物理学家”。
“以太”是经典力学中曾经站统治地位几百年的一个观点和基石,后来被证明其存在的实验的反向结论而被戏剧性地否定。
以太是一个历史上的名词,它的涵义也随着历史的发展而发展。
在古希腊,以太指的是青天或上层大气。在宇宙学中,有时又用以太来表示占据天体空间的物质。17世纪的R.迪卡儿是一个对科学思想的发展有重大影响的哲学家。他最先将以太引入科学,并赋予他某种力学性质。在迪卡儿看来,物体之间的所有作用力都必须通过某种中间媒介物质来传递,不存在任何超距作用。因此,空间不可能是空无所有的,它被以太这种媒介物质所充满。
17世纪的迪卡儿(1596年3月31日—1650年2月11日)认为:物质由微粒构成,物质微粒是唯一的实体,物质的本性是其空间广延性,机械运动即位置变动是物质唯一的运动形式。一切自然现象,一切物质性质(包括色、香、硬度、热等)都是由于物质粒子的机械相互作用产生的。有了物质(空间)和(机械)运动,就能按照物质运动本身的自然规律构造出全部世界,无须上帝照管。这类机械论的自然观以后曾统治自然科学两个多世纪。他又认为物质充满空间,即不存在真空(要说有一个绝对无物体的虚空或空间,那是反乎理性的),物质可以无限分割(宇宙中并不可能有天然不可分的原子或物质部分),空间是无限的(世界的广袤是无限定的),并且肯定物质世界的统一性与多样性(天上和地下的物质都是一样的,而且世界不是多元的”,“物质的全部花样或其形式的多样性,都依靠于运动)。因此恩格斯在《反杜林论》中称赞笛卡儿是辩证法的卓越代表人物之一。迪卡儿的方法论对于后来物理学的发展有重要的影响。
笛卡儿把他的机械论观点应用到天体,形成了他关于宇宙发生与构造的学说。他认为,从发展的观点来看而不只是从己有的形态来观察,对事物更易于理解。他用以太旋涡模型(如图示),第一次依靠力学而不是神学解释了天体、太阳、行星、卫星、慧星等的形成过程。他认为天体的运动来源于惯性(沿轨道切向)和某种宇宙物质,以太旋涡对天体的压力,在各种大小不同的旋涡的中心必有某一天体(如太阳),以这种假说来解释天体间的相互作用。
迪卡儿的天体演化说、旋涡模型和近距作用观点,正如他的整个思想体系一样,一方面以丰富的物理思想和严密的科学方法为特色,起着反对经院哲学、启发科学思维、推动当时自然科学前进的作用,对许多自然科学家的思想产生深远的影响。而另一方面又经常停留在直观和定性阶段,不是从定量的实验事实出发,因而一些 具体结论往往有很多缺陷,成为后来牛顿物理学的主要对立面,导致了广泛的争论。
尽管如此,作为自然科学家和哲学家,“迪卡儿”的唯物论已成为真正的自然科学的财富。
今天,当我们以物质的“物与磁”的统一场观点来认识整个宇宙体系之际,显然,可以清晰地发现,迪卡儿以太观中一个最大的忽略之处,是在于把以太与天体以及物质的微观粒子之间相互脱离。如果迪卡儿当时把以太与天体以及微观粒子紧密结合、并一体化思维的话,人类的科技进步必将少走许多弯路,科技水准必将早已远远超越今天的状态。
牛顿,1643年1月4日诞生于英格兰林肯郡乡村。 1686年,发表了他根据据J.开普勒行星运动定律得到的万有引力定律,并用以说明了月球和行星的运动以及潮汐现象,这是一项伟大的发现。看起来,牛顿的引力定律似乎支持超距作用观点,但是牛顿本人并不赞成超距作用解释。他在给R.本特利的一封著名的信中写道:“很难想象没有别种无形的媒介,无生命无感觉的物质可以毋须相互接触而对其他物质起作用和产生影响。……引力对于物质是天赋的、固有的和根本的,因此,没有其他东西的媒介,一个物体可超越距离通过真空对另一物体作用,并凭借和 通过它,作用力可从一个物体传递到另一个物体,在我看来,这种思想荒唐之极,我相信从来没有一个在哲学问题上具有充分思考能力的人会沉迷其中。” 牛顿本人倒是倾向于以太观点的,他在给R.玻意耳的信中私下表示相信,最终一定能够找到某种物质作用来说明引力。但是地对于以太的具体设想与当时颇有影响的R.迪卡儿观点只是在细节上有所不同。
众所周知,牛顿在理解光的本质上持微粒说。但他在同胡克、惠更斯等讨论光的本质时,说光具有这种或那种本能激发以太的振动。这意味着以太是光振动的媒质。于此,似乎牛顿对光的双重性有所理解。其实不然,他对以太媒质之存在极似空气之无所不在,只是远为稀薄、微细而具有强有力的弹性。他又重申说,就是由于以太的动物气质才使肌肉收缩和伸长,动物得以运动。他又进一步以以太来解释光的反射与折射,透明与不透明,以及颜色的产生(包括牛顿环)。他甚至于设想地球的引力是由于有如以太气质不断凝聚使然。《原理》第二编第六章诠释的结尾说,从记忆中他曾做实验倾向于以太充斥于所有物体的空隙之中的说法,虽然以太对于引力没有觉察的影响。
14、15世纪以来欧洲的学者对以太着了迷,以太学说风靡一时。后来,科学巨匠迪卡儿对以太的存在深信不疑。他认为行星之运行可以以太旋涡来解释。以太学说成为一时哲学思潮。尊重实验的牛顿也不免卷入这股哲学思潮中去,倾向于它存在。当时人们对超距作用看法不一。牛顿曾经提出他的引力相互作用定理,并不认为是最终的解释,而只是从实验中归纳出来的一条规则。因此,牛顿并未就引力本质作出结论。
可是,《原理》第二编最后文字中牛顿澄清了旋涡假设与天体运动无关。
显然,牛顿同迪卡儿一样,也没有把物质与以太统一一体而思维。因此,留下了“引力相互作用定理,并不认为是最终的解释,且未就引力本质作出结论”的遗憾。今天,我们从物质的“物、磁”二重性的原理,显然是可以归纳出以太与宇宙及物质的根本联系性极其特征的,进而对整个宇宙自然有一个更加深刻与本质的认识。
以太观认为,以太虽然不能为人的感官所感觉,但却能传递力的作用,如 磁力和月球对潮汐的作用力。 后来,以太又在很大程度上作为光波的荷载物同光的波动学说相联系。光的波动说是由R.胡克首先提出的并为C.惠更斯所进一步发展。在相当长的时期内(直到20 世纪初),人们对波的理解只局限于某种媒介物质的力学振动。这种媒介物质就称为波的荷载物,如空气就是声波的荷载物。由于 光可以在真空中传播,因此惠更斯提出,荷载光波的媒介物质(以太)应该充满包括真空在内的全部空间,并能渗透到通常的物质之中。除了作为光波的荷载物以外,惠更斯也用以太来说明引力的现象 。
牛顿虽然不同意胡克的光波动学说,但他也像笛卡儿一样反对超距作用并承认以太的存在。在他看来 以太不一定是单一的物质,因而能传递各种作用,如产生电、磁和引力等不同的现象。牛 顿也 认为以太可以传播振动,但以太的振动不是光,因为光的波动学说(当时人们还不知道横波,光波被认为是和声波一样的纵波)不能解释现在称为光的偏振现象,也不能解释光的直线传播现象。
18世纪是以太论没落的时期。由于法国迪卡儿主义拒绝引力的平方反比定律而使牛顿的追随者起来反对迪卡儿哲学体系,连同他倡导的以太论也在被反对之列。随着引力的平方反比定律在天体力学方面的成功以及探寻以太未获实际结果,使得超距作用观点得以流行。光的波动说也被放弃了,微粒说得到广泛的承认。到18世纪后期,证实了电荷之间(以及磁极之间)的作用力同样是与距离平方成反比。于是电磁以太的概念亦被抛弃,超距作用的观点在电学中也占了主导地位。
19世纪,以太论获得复兴和发展,首先是从光学开始的,这主要是T.杨和A.J.菲涅耳工作的结果。杨用光波的干涉解释了牛顿环,并在实验的启示下于1817年提出光波为横渡的新观点(当时对弹性体中的横波还没有进行过研究),解决了波动说长期不能解释光的偏振现象的困难。可见,以太观的复兴和发展,对促进科技进步是有利的。
菲涅耳用波动说成功地解释了光的衍射现象,他提出的理论方法(现常称为惠更斯——菲涅耳原理)能正确地计算出衍射图样,并能解释光的直线传播现象。菲涅耳进一步解释了光的双折射,获得很大成功。1823年,他根据杨的光波为横渡的学说和他自己1818年提出的透明物质中以太密度与其折射率二次方成正比的假定,在一定的边界条件下,推出关于反射光和折射光振幅的著名 公式,它很好地说明了D.布德斯特数年前从实验上测得的结果。
菲涅耳关于以太的一个重要理论工作是导出光在相对于以太参照系运动的透明物体中的速度公式。1818年,他为了解释阿喇戈关于星光折射行为的实验,在杨的想法基础上提出:透明物质中以太的密度与该物质的折射率二次方成正比,他还假定当一个物体相对以太参照系运动时,其内部的以太只是超过真空的那一部分被物体带动(以太部分曳引假说)。由此即可得出物体中以太的平均速公式:(1-1/nn)v ,其中 v 为物体的速度。
利用以上结果不难推得:在以太参照系中,运动物体内光的速为(准到v/c的一次方),u=c/n =(朴-1/nn)vcoso ,其中 o为u与v之间的夹角。上式称为菲涅耳运动媒介光速公式。它为以后的斐索实 验所证实。
19世纪中期曾进行了一些实验以显示地球相对以太参照系运动所引起的效应,并由此测定地球相对以太参照系的速度v,但都得出否定的结果。这些实验结果可从上述菲涅耳理论得到解释。根据菲涅耳运动媒质中的光速公式,当实验精度只达到v/c量级时,地球相对以太参照系的速度在这些实验中不会表现出来。要测出v,精度至少要达到vv/cc的量级(估计 vv/cc=10**-8),而当时的实验都未达到此精度。
杨和 菲涅耳的工作之后,光的波动说就在物理学中确立了它的地位。不过以太论也遇到一些问题。首先,若光波为横波则以太应为有弹性的固体媒质。这样,对为何天体运行其中会不受阻力的问题,有人提出了一种解释:以太可能是一种像蜡或沥青样的塑性物质,对于光那样快的振动,它具有足够的弹性像是固体,而对于像天体那样慢的运动则像流体。另外弹性媒质中除横波外一般还应有纵波,但实验却表明没有纵光波,如何消除以太的纵波以及如何得出推导反射强度公式所需要的边界条件是各种以太模型长期争论的难题。光学对以太性质所提出的要求似乎很难同通常的弹性力学相符合。为了适应光学的需要,人们要对以太假设一些非常的属性,如1839年麦克可拉模型和阿西模型。再如,由于对不同的光频率,折射率 n 的值也不同,于是曳引系数对于不同频率亦将不同。这样,每种频率的光将不得不有自己的以太等等。
随后,以太在电磁学中也获得了地位,这主要是由于m.法拉第和j.c.麦克斯韦的贡献。 在法拉第心目中,作用是逐步传过去的看法有着十分牢固的地位。他引入了力线来描述磁作用和电作用,在他看来,力线是现实的存在,空间被力线充满着,而光和热可能就是力线的横振动。他曾提出用力线来代替以太并认为物质原子可能就是聚集在某个点状中心附近的力线场。他在1851年又写道:如果接受光以太的存在,那么它可能是力线的荷载物。”但法拉第的观点并未为当时的理论物理学家们所接受。
到19世纪60年代前期,麦克斯韦提出位移电流的概念,并在前人工作的基础上提出用一组微分方程来描述电磁场的普遍规律。这组方程以后被称为麦克斯韦方程组。根据麦克斯韦方程组,可以推出电磁场的扰动以波的形式传播,以及电磁波在空气中的速度为3.1*10**8 米/秒,与当时己知的空气中的光速3.15*10**8米/秒,在 实验误差范围内是一致的。麦克斯韦在指出电磁扰动的传播与光传播的相似之后写道:光就是产生电磁现象的媒质(指以太 ) 的横振动。” 后来,H.R.赫兹用实验方法证实了电磁波的存在(1888年)。光的电磁理论成功地解释了光波的性质,这样以太不仅在电磁学中取得了地位,而且电磁以太同光以太也统一了起来。
麦克斯韦还设想用以太的力学运动来解释电磁现象,他在1855年的论文中,把磁感应强度B比做以太的速度。后来(1861年——1862年)他接受了W.汤姆孙(即开尔文)的看法,改成磁场代表转动而电场代表平动。他 认为以太绕磁力线转动形成一个个涡元,在相邻的涡元之间有一层电荷粒子。他并假定,当这些粒子偏离它们的平衡位置即有一位移时,就会对涡元内物质产生一作用力引起涡元的变形,这就代表静电现象。
关于电场同位移有某种对应,并不是完全新的想法。w. 汤姆孙就曾把电场比作以太的位移。另外,法拉第在更早(1838年)就 提出,当绝缘物质放在电场中时,其中的电荷将发生位移。麦克斯韦与法拉第不同之处在于,他认为不论有无绝缘物质存在,只要有电场就有以太电荷粒子的位移,位移D的大小与电场强度E成正比。当电荷粒Z的位移随时间变化时,将形成电流。这就是他所谓电流)才是真实的电流。
在这一时期还曾建立了其它一些以太模型。尽管麦克斯韦在电磁理论上取得了很大进展,但他以及后来的赫兹等人把电磁理论推广到运动物质上的意图却未获成功。
19世纪90年代H.A.洛伦兹提出了新的概念。他把物质的电磁性质归之于其中同原子相联系的电子的效应,至于 物质中的以太则同真空中的以太在密度和弹性上都并无区别。他还假定,物体运动时并不带动其中的以太运动。但是,由于物体中的电子随物体运动时,不仅要受到电场的作用力,还要受到磁场的作用力以及物体运动时其中将出现电介质运动电流,运动物质中的电磁波速度与静止物质中的并不相同。在考虑了上述效应后,他同样推出了菲涅耳关于运动物质中的光速公式。而菲涅耳理论所遇到的困难(不同频率的光有不同的以太)现己不存在。洛伦兹根据束缚电子的强追振动并可推出折射率随频率的变化。洛伦兹的上述理论被称为电子论,他获得了很大成功。
19世纪末可以说是以太论的极盛时期,但是,在洛伦兹理论中,以太除了荷载电磁振动之外,不再有任何其他的运动和变化。这样它几乎己退化为某种抽象的标志。除了作为电磁波的荷载物和绝对参照系,它己失去了所有其他具体生动的物理性质。这就又为它的衰落创造了条件。
为了测出地球相对以太参照系的运动,如上所述,实验精度必须达到vv/cc量级。到19世纪80年代,A.A.迈克耳孙和E.W.莫雷所作的实验第一次达到了这个精度,但得到的结果仍然是否定的(即地球相对以太不运动)。此后其他的一些实验亦得到同样的结果。于是以太进一步失去了它作为绝对参照系的性质。这一结果使得相对性原理得到普遍承认,并被推广到整个物理学领域 。
在19世纪末和20世纪初,虽然还进行了一些努力来拯救以太,但在狭义相对论确立以后,它终于被物理学家们所抛弃。人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念,而场可以在真空中以波的形式传播。 量子力学的建立更加强了这种现点,因为人们发现物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性。波动性己成为物质运动的基本属性的一个方面。那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点己完全被冲破。
然而人们的认识仍在继续发展。到20世纪中期以后,人们又逐渐认识到真空并非是绝对的空,那里存在着不断的涨落过程(虚粒子的产生以及随后的湮没)这种真空涨落是相互作用着的场的一种量子效应。今天,理论物理学家进一步发现,真空具有更复杂的性质。真空态代表场的基态,它是简并的,实际的真空是这些简并态中的某一特定状态。目前粒子物理中所观察到的许多对称性的破坏是真空的这种特殊“取向”所引起的。在这种观点上建立的弱相互作用和电磁相互作用的电弱统一 理论己获得很大的成功。
这样看来,机械以太虽然死亡了,但以太的某些精神(不存在超距作用,不存在绝对空虚意义上的真空)仍然活着,并具有旺盛的生命力。
总之,以太论从14世纪诞生后,经过了三个世纪的发展壮大、衰落、到17世纪的灭亡,到18世纪的复苏、再发展、再壮大、再衰落,至直19世纪初的彻底失败的历史进程,乃至当今21世纪初的可能的、甚至是必然的重新复活。可见,以太的发展道路,是人类科技道路上的曲曲折折的进步历程。是人类对大自然认识水平提高与完善的光辉历程。因此,以太论的复苏,是人类认识自然大千世界的新的希望与新的曙光。
19世纪末,在光的电磁理论的发展过程中,有人认为宇宙间充满一种叫做“以太”的介质,光是靠以太来传播的,而且把这种“以太”选作绝对静止的参考系,凡是相对于这个绝对参考系的运动叫做绝对运动,以区别于对其他参考系的相对运动。经典电磁理论只有在相对于以太为静止的惯性系中才能成立。根据这个观点,当时物理学家设计了各种实验去寻找以太参考系。其中,1887年,迈克耳孙(A.A.Michelson)和莫雷(E.W.Morley)的实验特别有名。根据他们的设想,如果存在以太,而且以太又完全不为地球运动所带动,那么,地球对于以太的运动速度就是地球的绝对速度。利用地球的绝对运动的速度和光速在方向上的不同,应该在所设计的迈克耳孙干涉仪实验中得到某种预期的结果,从而求得地球相对于以太的绝对速度。
迈克耳孙和莫雷在不同地理条件、不同季节条件下多次进行实验,却始终看不到干涉条纹的移动。出乎意料的是原本为验证以太参考系而进行的实验,却无意中提出了否定以太参考系的证据,并被整个物理学领域接受而至今。狭义相对论正是在这种条件下破土而出的。
可是,由于光具有波粒二相性,是一个个非常非常微小的能量个体,不仅仅是直线传播(运行),而是具有波动特性的螺旋运动轨迹。尽管光波是电磁波的一种类型,但是,光波并不像大多数电磁波一样做球形扩张式传播。因此,光粒子不是靠以太来传播的,它犹如出镗的子弹,单方向直线(螺旋线)运行,只需启动能量,不需介质的传播,更不能简单地等同于声波的机械能量在其介质中的连续的球形扩张式传递。同时,把“以太”选作绝对静止的参考系,是一种主观片面性。因为,以太凭什么要绝对静止呢?如果“以太”不是绝对静止的物质体系,而恰恰是一个与星系的运动相关的,或者是同步的、广密的物质体系,那么,19世纪末之前,人们却正好把“以太”作为绝对静止的参考系来看待,因此则必然导致错误的结论和错误的理论体系!如果分布在地球表面的以太,是与地球运行速度(公转与自转)既同向又同步的话,如同“论统一场”所描述的那样。那么,1887年,迈克耳孙(A.A.Michelson)和莫雷(E.W.Morley)所做的证明以太存在的光干涉实验,事实上应该是充分地证明了以太肯定存在的科学结论。也即,实验肯定无误,是“以太绝对静止”这个假定的前提有误,因而导致了历史性的、截然不同的科学结论!!!
显而易见,迈克耳孙和莫雷的为验证以太参考系而进行的光干涉实验,因为其假定的前提条件的不完全充分性,因此不能作为否定以太参考系的证据,哪怕是已经被世界物理学界、科技界认可了一百多年。由此可见,否定以太的实验结论是一个历史的失误或错觉。
进一步地,当以太确实存在,而且不是绝对静止不动的以太,那么,仅仅建立在坐标变换条件下的爱因斯坦相对论,则自然只是数学上的变换而已,并不一定具有确切的物理意义。况且,相对论并没有从具体的物理意义上破译引力场这种特殊物质的物质性质和具体的引力传递与作用机制,仅仅只是一种数学上的描述而已。一个不能直接揭示其物理意义和物质本质的数学描述形式,尽管是所谓的十分精确,但是,它显然在对物质本质的深刻认识与系统全面地破译方面,仍然存在一定差距,甚至是相当的差距。因此,爱因斯坦自己也非常追求理论上的简洁性,并对统一场理论持续了几十年的探寻不已,且直至终生。当他对统一场无能为力之际,也极大地寄希望于后来人。
所谓光速的绝对性是指,光速相对于任何参照系以及不同能量(频率或颜色)的光都是不变的。因此,光速被认为是自然界中一个非常神秘的常数。然而,光是一种自然现象,在现实的世界中,不存在任何绝对的东西。因而,光速不变的绝对性,只是我们对光速不变的特性所做出的矫枉过正的解读。
类似的例子还有很多。例如,过去的质量守恒定律,质量被认为是物质所固有的含量,其具有绝对的不灭性。然而,放射性元素的被发现,当重元素衰变为轻元素时,有部分质量转变为能量。于是,质量的超然地位及其神秘性不复存在了,其只是能量的聚集,是被封闭的粒子关于其空间效应的度量。
光速不变的绝对性,是爱因斯坦从光速不变的现象归纳出来的。由于自然界存在着质的变化,使归纳法的应用受到了限制。一旦归纳出的规律超出了质变的范围,该规律就失效了,从而限制了规律的绝对性。
比如,迈克尔逊-莫雷实验的零结果,意味着光速与光源相关;而双星实验中的星光,具有频率的周期性变化,又说明光速与光源无关,而与空间相关。对于这对矛盾的现象,有两种不同的解决方案。其一是提出一个物理机制,使对立的现象分隔在不同的区域,从而化解了矛盾;其二是爱因斯坦的做法,他认为所有参照系中的光速都是一样的,用光速不变的绝对性来消除对立的现象。
然而,在现实的世界中,参照系的性质是不同的。这也是物体的运动具有物理意义的原因,即速度只有相对于物理背景的运动才是有意义的。例如,我们在河水中游泳,水流是物理背景,其是我们运动的参照系。只有相对于河水的运动,才会对我们产生阻力。至于岸边的人或树木,他们与我们的相对运动,只是表观的运动,并没有实际的物理意义。
类似于声障,相对于物理背景的运动速度越大,该背景对运动物体的影响也就越大,从而使之产生了相应的变化。这就是空间的运动效应,结合狭义相对论就是相对论效应,如尺缩、钟慢和质增等。
然而,根据狭义相对性原理,所有的参照系都是完全相同的,那么究竟哪个参照系上的孪生兄弟更年轻呢?参照系的绝对相同,取消了运动的物理意义,因而相对性效应仅只是数学的变换。
比如,如果我们固执地认为人的体重是绝对不变的。于是,要求在任何维度上称量体重都是一样的(货物交易就是如此要求的)。然而,地球是椭圆的,不同维度的重力是不一样的。于是,只有修正不同地区的体重秤,使它们得出的读数保持不变。由此,各地的修正值就成为了相对论效应,因而其只是数学上的变换。这就好比我们用不同的语言说同一句话,虽然发音不同,但意思却是不变的。
实际上,光速相对于物理背景和能量,只具有 相对 的不变性。因而,光速c只是一个普通的物理参量。由于物理背景的存在,物体的能量有两种存在形式,即动能与势能。低速时,以动能为主;高速时,则以势能为主。这就是为什么,在高速时,物体的运动具有速度不变性的原因。
由于光子的质量非常小,以至于其动能远小于势能。所以,光速是光子维持其势能的速度,具有相对于物理背景和能量的 近似 不变性。例如,不同能量(颜色)的光速是不同的,蓝光快于红光,只是两者的速度差与光速c相比是远小于1的。
总之, 只有相对的绝对,没有绝对的相对 。由于物体的运动只有相对于物理背景才具有绝对的物理意义,因而不存在光速不变的绝对性。随着宇宙的膨胀,作为物理背景的量子空间会持续地降低其密度。于是,光速也会相应地不断增大,直至过渡到经典力学的情况。那时,光子的能量全部都是动能,从而使光速达到了最大值,光子也由此成为了自由的粒子。
光速也是相对的。电子如同大炮,给了光子初速度即光速。光速是相对于真空的运动速度,在介质中的运动速度比光速稍微低点。另外,光有折射、反射现象,其方向发生了改变,速度是矢量,方向的改变也是速度的变化。
不论哪个惯性系,测量光的速度,恒定为c.因此,说它是绝对的。有质量的物体的速度,必然是相对于某个参考系才能定义,所以,我们说速度是相对的。
因为光速是推导出来的,最后通过实验验证的。
通过麦克斯韦方程组推算出了电磁波的传播速度,光也是电磁波的一种,但是这个速度没有任何参照物,所以,光速是绝对的。
刚开始有人怀疑光速是有参照物的,如果有参照物光速就不是绝对的,有物理学家提出光的参照物是“以太”,这也是“以太”学说的由来。
但是后来被实验证实不存在以太。
光速就没有了参照物,所以光速的绝对的。
光速为什么是绝对的,本质原因是麦克斯韦方程,目前没有任何理论显示麦克斯韦方程组是错误的,所以至少现在来说,光速的绝对的,没有参考系。
多数的相对论讲义都没有给光速不变以直观的解释,我来给你解释下,其实特别简单。
起初,麦克斯韦预言了电磁波,并且给出了简单优美的方程,可以直接算出电磁波的速度,就是现实中的光速。后来,赫兹用实验产生了电磁波,和麦克斯韦的预言一致。因此,大家认定,光也是一种电磁波,而速度,都算好了,还怎么变。而且这方程,太美,简洁对称,大家直觉上就不认为他会是错的。
为什么会这样呢,为什么电磁波的速度直接就可以算出来,与发射源无关呢?因为电磁波的速度不是相对于任何物体的,而是纯粹在虚空中的速度。什么意思呢?下面解释一下。
我们先来说说普通物体的运动。平时我们说一个物体的运动速度,是这个物体的位置随着时间在变化,计算速度我们要找个参照物,用运动物体与参照物距离随时间的变化,来度量运动物体位置的变化,也就是速度。毕竟,我们无法在虚空中做刻度直接测速度,做了刻度也不能说这个标记是不动的,还是需要一个参照物。
但电磁波就不一样了,他是发射源那里有个电场在变化,这个变化的电场直接就在旁边产生出一个磁场,这个磁场也在变,又在旁边产生一个电场,这就是电磁感应,就这样电场磁场交替着往前跑,不依赖任何物体,在真空中就能跑。这个跑的速度,是可以根据感应的时间和感应的距离算出来的,这里面没有任何参照物,完全是相对虚空的速度,你说他是相对任何物体的速度都可以。
所以到这里,当麦克斯韦电磁方程出来的时候,光速不变就已经呼之欲出了。但这和人们的常识矛盾太大,牛顿力学的运动方程都不成立了,所以人们不相信会是这样,于是找各种可能,最容易想到的就是虚空不空,充满了叫以太的东西,而以太也在动,算出来的光速是相对于静止以太的速度。这样就和牛顿力学不矛盾了。这种想法不仅假设了以太的存在,还需要引入绝对静止的概念,即存在绝对静止的空间。这种想法不但解决了光速问题,也给上帝找了个地方,上帝就呆在绝对静止的空间。本来牛顿力学就给上帝挤没地方呆了,现在柳暗花明,又给他找了块地儿,所以这种想法受到多数人的普遍认同,接下来就是实验验证了。
于是就有了著名的迈克尔逊莫雷实验,实验的结果大家也都知道了,光速就是不变。于是大家都傻了,不知道咋回事。公式倒是好弄,洛伦兹凑了个公式,既能解释光速不变,也和经典牛顿力学不矛盾,但大家还是傻,不知道这是为什么。这时候爱因斯坦出来了,解释了这个现象,带来了新的时空观。所以说爱因斯坦这才是高人。
个人基研发现,太阳系内光速绝对,其他恒星决不一定,建议人们没有走出地球,把古原始;日盖一陆;小范围的;阳阳华帝;外际哲学;今相对论等。
日浑天空,早已日地月三星高照,夏商日月季年,道法自然三生万物,阳;哲学;相对;存认不全,应该水平道理。
又全新日,宣夜空照,三次造山,出新人类。今火星日;水星日;月亮日永对应原始一陆,日北盖地出现哺乳动物;各种兽人。
浑天一陆分二;宣夜四大文明;今又迫移七大洲后,原本一个地球,换日改月地经纬,地质气侯,生物跟变,人文也会跟着续迁,但基础规律:
活立空间,相对基础,
间水平衡,永恒事业。
乞今未止,存认不全,形上认识,邪教控止。才出现困求多元,个人基础发现,现在为什还不把客观存在的,一小块始陆地;逐渐面积大后;日分二四七大洲;出现古今人类。
微生水卵蛋动;北日盖地阴阳;
晕天隔地月转。四季星日宣夜。
今日地球,水主表面,
境三态道,界公平理。
古天地物人今续新果;
中能发表后外请验证。
任何物质的运动速度都是绝对的,说相对是观察者的主观认知局限造成的,比如看大地是静止的其实它和你在在宇宙中有一个绝对速度只是目前 科技 还没有方法计算出这个速度也就是一种对自然物理的认知缺陷。不能因为人类自己的无知就去否定运动的绝对性吧,举个例子应用萨格纳克效应原理的激光陀螺仪就不需要外参照就可直接判定转动角度。由此判定未来也有不需外参照可直接测量宇宙物体绝对运动速度方法的。而认为大地是静止是人的主观感受,也就是两物同速同向动动时的主观感受,
精确的科学实验表明,光的传播速度并不是无限的,它的速度约为每秒3亿米(30万公里).光速的奇特之处在于:光源与观察者之间的相对速度并不影响光速的数值.
空间与时间必须混合在一起才能保持光速的恒定,从某种意义上来说就是必须保持空间和时间的一致,尽管我们习惯用米来衡量空间,而用秒来衡量时间.但是,如果空间和时间相似到可以互相转换的程度,那么就需要某种“常量”来转化这两种单位.也就是说,必须有某种用米/秒来测量的东西,人们可以用以秒为单位的时间来乘以这个“常量”得到以米为单位的空间.这个通用的转换因素就是光的速度.光速之所以是有限的,原因很简单:有限的空间对应的是有限的时间。
假设我们和一个星球的远离相对速度大于光速,那在上一秒这个光开始离开这个星球,这束光和我们地球的相对速度就是+300,000km/s,那么是不是我们就能看到和我们相对速度大于光速的星球了呢?
光是一种电磁波,电磁波又百是什么?变化的电场会产生磁场,而度变化的磁场又会产生电场,于是一个根据特定规律变化的电磁场会在空间中交替的产生电场和磁场,问并且向周围传播,这就是电磁波。电磁波是由电磁场变化产答生的,电磁波传播的专速度受到麦克斯韦方程的约束,是由磁导率和介电常数决定的。也就是说它是由介质传播电场和磁属场的能力决定的。
光速为什么是绝对的。
因为真空中的光速只有一个c=299792458m/s。
虽然在介质中光速看起来会慢一些,在特殊介质中,光速只有几米每秒,不用刘翔,只要正常人都能享受超光速带来的快感,体验时光倒流的错觉。
但是实际上任何介质也不能影响光速,非真空介质也只能通过截留光子“一段时间”来“降低”光速。而光子再相邻两个介质分子之间传递的速度依然是c。
假设介质中有两个相邻的粒子A和B,光从某处传来被A吸收并“挽留”一段时间,然后光子离开A向B传播,从A到B的过程中光子的速度仍然是c=299792458m/s。
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建立篮球队范文 (1)每周日下午1:30到4:00篮球队进行常规训练。在先期两个月中由我们 队内自我熟悉,进行位置和打法的初步定位。队员提议,在后期应该要求较 专业的老师带队训练几次。 (2)由于篮球队先期名单肯定有所遗漏,因此先由队员在先期推荐打球较出色 的人跟队训练,不断的吸取新队员。并在5月份的研究生院内部联赛中进一步 挑选新队员。 (3)扩大研究生篮球队的影响。和体育部合作,宣传热爱篮球的研究生都可以 跟队训练,具体形式有待进一步讨论。
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