為了給狹義相對論作鋪墊,我先給大家介紹了麥克斯韋方程組。為了讓中小學(xué)生能更好理解麥克斯韋方程組,我又寫了微積分,現(xiàn)在終于可以正式談一談狹義相對論了。
為什么講狹義相對論要先講電磁理論呢?
愛因斯坦發(fā)表狹義相對論的論文叫《論動體的電動力學(xué)》,一般電動力學(xué)教材的最后一章也會講狹義相對論。這一來一去,你就知道它們的關(guān)系不一般了。
那這跟牛頓又有什么關(guān)系呢?
牛頓建立了上知天文下知地理的力學(xué)體系,日月星辰、潮起潮落都遵循他的定律,這是第一次工業(yè)革命的基石;麥克斯韋方程組則包含了一切經(jīng)典電磁學(xué)的東西,他還發(fā)現(xiàn)了電磁波,這是第二次工業(yè)革命的基礎(chǔ)。
牛頓和麥克斯韋的理論在各自領(lǐng)域都獲得了巨大的成功,是經(jīng)典物理學(xué)的兩座豐碑。但是,如果你試圖把它們?nèi)诤显谝黄?用統(tǒng)一的目光看待它們,立即就會出現(xiàn)不可調(diào)和的矛盾。
為了解決這些矛盾,愛因斯坦進行了艱苦卓絕的探索,并最終創(chuàng)立了狹義相對論。
這種情境,很像現(xiàn)在的廣義相對論和量子力學(xué)。
當(dāng)我們使用廣義相對論處理引力問題,處理恒星和宇宙的演化時非常好用(可以忽略量子效應(yīng)),當(dāng)我們使用量子力學(xué)處理電磁力、強力、弱力的問題時也非常好用(引力太弱,可以忽略)。
但是,當(dāng)我們碰到那些又重又小的東西(比如黑洞和宇宙初期),無法忽略引力和量子效應(yīng)中的任何一個的時候,就必須結(jié)合廣義相對論和量子力學(xué),這一結(jié)合就出大問題了。
廣義相對論和量子力學(xué)的不兼容是當(dāng)今物理學(xué)一等一的大事,這種情況跟百年前牛頓力學(xué)與麥克斯韋電磁學(xué)的不兼容很相似。兩種理論能夠在各自領(lǐng)域工作良好,就證明它們至少包含了某種正確性,而一結(jié)合就出問題,說明我們還是忽略了某些關(guān)鍵的東西。
那么,牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁學(xué)之間的矛盾是什么? 為什么它們無法兼容? 有什么關(guān)鍵的東西被忽略了,愛因斯坦又是如何發(fā)現(xiàn)的? 為什么是年輕的愛因斯坦先發(fā)現(xiàn)了這個,其他物理學(xué)家卻總是差那么一點?
類似地,廣義相對論和量子力學(xué)之間的矛盾是什么? 它們之間被忽略的關(guān)鍵東西又是什么? 愛因斯坦統(tǒng)一牛頓力學(xué)和麥克斯韋電磁學(xué)的工作對我們統(tǒng)一廣義相對論和量子力學(xué)又有什么啟發(fā)?
學(xué)習(xí)歷史是為了更好把握未來,科學(xué)也一樣。在這本書里,我會盡力把歷史說清楚,現(xiàn)在和未來的問題,就交給你來慢慢琢磨了。
好,下面進入正題。