相对论的起源（中）13

本系列文章预计会有20+个章节，这套文献将系统讲述科学与技术本身，这里是第七季第13篇

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接上篇，从最近对麦克斯韦的描述来看，我们已经渐渐真正认识了这么一个伟大的人物。也就说麦克斯韦做出了物理学上的一个伟大的统一，电磁学和光学的统一，这是19世纪物理学的巅峰成就。

好，今天我们再来看看细节的技术点。

我们知道，麦克斯韦在得出麦克斯韦方程组之前是研究了前人的结论，尤其是法拉第。

这里我受到的启发就是，我们对一件事物的研究，一定不能浮夸的看表面。我们要去想想，麦克斯韦究竟是为了想解决一个什么问题才去研究电磁学？还是兴趣？或者像爱因斯坦，他得出狭义相对论之后为什么又要证明一个广义呢，是遇到什么问题吗？这里面的故事究竟是什么？

而麦克斯韦应该是完全出于兴趣啊！他就是想创立自己的武学。

1860年代初期，麦克斯韦提出一组总共四个方程，来描写*所有的*电磁现象。这就是著名的麦克斯韦方程组，它们写出来非常漂亮 ——

法拉第是用实验证明变化的磁场能产生电场，而麦克斯韦是用数学推倒得出变化的电场产生磁场。没错，全靠公式，就是这么牛逼。

补充一句，那时候，热力学的奠基者之一、英国物理学家开尔文（1824—1907）说：“我无法理解任何我无法全程做出力学模型的东西，这就是我无法理解电磁理论的原因。”也就是说，那个年代一切都讲究模型，纯数学的推导是没有什么价值的！可是这在有心人看来，肯定不是这么回事。

好，回到主题。现在麦克斯韦知道了这么一件事 ——

变化的磁场能产生电场

变化的电场又能产生磁场

电和磁其实在某种程度上是“一回事儿”，电场和磁场可以互相产生，就算没有电荷，用磁场也能产生电场。

克斯韦紧接着想到，如果我用线圈弄一个震荡的电流，产生一个周期变化的磁场，那么这个周期变化磁场就能产生一个周期变化的电场，而这个周期变化的电场又能产生新的周期变化的磁场……以此类推，岂不是说这个电磁场可以一直传播下去吗？

这不就是电磁波吗！

二十多年以后人们真的在实验中制造了电磁波，给后世生活带来巨大的影响，不过麦克斯韦在意的不是电磁波的实用价值。（以前觉得写下这段话其实很简单，现在觉得这背后的故事很丰富，以后再谈）

麦克斯韦可以用他的方程组直接计算这个电磁波的传播速度。他算出来电磁波速度，发现跟光速，它们的数值是一样的！

光是有速度的。你打开一盏灯，光线不会瞬间传播到宇宙的另一头去。当时的人已经在实验中测量了光速。而且早在1801年人们就已经知道光是一种波。但是人们并不知道光到底是怎么回事。

而现在麦克斯韦计算得出的电磁波的速度正好是光速，于是麦克斯韦大胆宣称，光，其实就是电磁波。后来人们证实果然是这样，我们平时所见的可见光无非就是特定频率的电磁波而已。

这么一来，物理学的逻辑结构就变得更简单了。牛顿力学加上麦克斯韦电磁学，身边的一切物理现象等于是都被理解了。这绝对是英雄的壮举。

但是这个成就里边有一个危机，这个危机与牛顿力学发生了冲突。

这个危机是这样的。

麦克斯韦方程似乎只在一个惯性系中成立，这是因为，它预言电磁波的速度是每秒约30万千米。

这个速度让人觉得宇宙中似乎存在一个特殊的惯性参照系，每秒约30万千米就是电磁波相对于这个惯性系的速度。在别的惯性系中，电磁波的速度会一样吗？

人们发现，在绝对空间中，即在以太的参照系中静止时，麦克斯韦的定律简单而优美，如磁力线没有端点，而在运动参照系中，它们变得复杂而丑陋，磁力线有时有端点。

不过，当参照系以远小于光速的速度在绝对空间中运动时，这种复杂对实验结果的影响是可以忽略的，也就是说，几乎所有的力线都没有端点。

只有在速度接近光速时，丑陋的复杂性才会带来容易测量的大影响，会出现许多端点。为什么在其他参照系中会复杂和丑陋呢？

那肯定是在什么地方出现了问题。

在爱因斯坦看来，这些定理在一个参照系中，简单而优美，而在其他参照系中却复杂而丑陋，这是不能接受的。

麦克斯韦的电磁理论必须在所有的参照系中具有相同的性质。这就是著名的“相对性原理”。

紧接着，爱因斯坦超前的意识使他直接假设光速在不同的惯性系中是一样的，这样就引发了麦克斯韦理论和牛顿理论的冲突。解决这个冲突的唯一出路是，必须在麦克斯韦理论和牛顿理论之间做一个选择。

结果，爱因斯坦凭借过人的胆识，大胆宣告牛顿的绝对时空观是错误的（当然是有条件的）！也就是说，牛顿物理学的有效范围是速度远小于光速，而牛顿定律可能会在速度接近光速时崩溃。

好，今天就先这样！

参考文献:

[1] 《时空简史》

[2]  万维钢精英日课*3

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