【相对论对话录38】
2017-5-16 00:16
1.相对论来自牛顿力学与麦克斯韦场论的冲突，爱因斯坦选择修改牛顿力学，保持麦克斯韦场论的研究思路，有何利弊与启发？
答：牛顿力学毫无疑问比麦克斯韦场论简单普适，至少在19世纪时，包括麦克斯韦在内的物理学家认为分子运动论成功地把热力学还原为大量分子运动遵循牛顿力学的统计系综，而电磁场论的以太漩涡模型是牛顿力学在原子的电磁结构水平的完成。
但是，这样一来，以太静止的参照系成了牛顿的绝对空间，真空中的光速在不同惯性系中有差别，更不用说加速系中的真空光速的差别了。遗憾的是，迈克尔逊-莫雷实验证伪了麦克斯韦有关以太风改变光速的推测。
理论探索的新思路是维恩把惯性定律还原为电磁场守恒定律，把加速度定律还原为电磁场与电荷交换能量与动量，引起电荷分布改变的定律。而反作用定律，彭加勒认为电磁场中的环形力，比如洛伦兹力，电流的环形磁场等，可能没有反作用力。但维恩认为反作用定律就是电磁场的动量平衡定律。所以，牛顿力学在这种表述中不是基本定律，而是麦克斯韦场论的推论。
狭义相对论基于观察实验的新证据，以及电动力学的内在逻辑，保持电磁场论在惯性系中不变，改变牛顿力学的具体形式包括绝对时空观，无疑是理智的选择。因为复杂理论的改变，涉及的理论要素与实验事实多，出错的可能数不胜数，歧路重重。而改变比麦克斯韦理论简单的牛顿力学，因为理论要素少，需要重新解释的事实也少，就相对容易，更不容易出错。
爱因斯坦的这种理论革新谋略，不仅取得巨大成功，而且有广泛的后继模仿者。量子力学倾向于保留黑体辐射定律不变，而改变相对简单的电磁场论与牛顿力学的数学结构。费曼试图从狭义相对论与量子力学相结合的量子电动力学中，衍生出麦克斯韦场论。简单的理论，往往是作为复杂理论的某种近似而被改写的。
广义相对论的建立，完全符合保留麦克斯韦场论与狭义相对论在局部惯性系中不变，通过等效原理把惯性力局域地整合到引力场，彻底改变简单的牛顿万有引力理论的革新谋略。为了完成这一步，爱因斯坦坚持用光在一段距离中来回的时间作为光钟的单位，简单地通过光速把空间与时间联系起来。光钟在相对论中，就是保证电磁场论与狭义相对论的理论要素在广义相对论中通过局部惯性系，毫无遗漏地进入新理论的构造。
在1907-1909年，爱因斯坦利用等效原理初步得到光速在引力场的不同势能处可变的思想。这里有一个理论线索，就是我们能不能在保持牛顿万有引力定律尽可能少变动的前提下，依据引力势能的变化局部修改麦克斯韦场论与狭义相对论的形式，得到某种引力相对论的新形式？爱因斯坦甚至注意到牛顿万有引力定律的先驱——开普勒第三定律不仅符合等效原理，而且与质量无关，时间单位与空间单位可以通过周期平方与半径立方的正比关系联系起来。
但是，从开普勒星体周期钟出发，构造新的时空理论面临更大的理论困难，那就是狭义相对论中的质量变化与质能关系，如何通过等效原理改变牛顿引力定律，进一步改变电磁场论与狭义相对论的物理机制与数学表述是根本不清楚的。在这个思路中，牛顿引力，电磁场论与狭义相对论在星体周期钟的时空单位约定下，理论形式如何改变全部是未定的难解之谜。于是，爱因斯坦通过自由电梯实验成功地找到了局部惯性系，在时空的微区域有了保持电磁场论与狭义相对论形式不变，理论要素完备的局部闵科夫斯基时空。而转动圆盘实验，提示加速系需要弯曲时空，根据等效原理，爱因斯坦很快发现引力场论应该是弯曲时空理论。爱因斯坦与数学家合作，考虑最周全的是，依据质能关系，引力能量也应该有质量产生惯性-引力效应。这就是广义相对论处理引力面临的引力自作用的非线性困难。
相对论的成功不是没有代价的，那就是顽固坚持简单的牛顿力学框架，修改与否定相对论的各种企图不断挑战。但是，这些努力很可能遗漏了电磁场论的理论要素，从而不能象狭义或广义相对论那样，再现各种成功的理论预言与实验验证。特别是，如果狭义相对论错了，广义相对论与量子场论也错了。如果电磁场论改写了，那么狭义相对论如何改写？广义相对论与量子场论如何改写？各种各样的大难题就出现。物理学家一般按照爱因斯坦的谋略，保复杂改简单，把从简单物理原理出发，挑战复杂物理理论的各种探索看成是误入歧途。
也许，量子场论比广义相对论复杂。当弦论，圈量子引力等各种量子引力理论成效甚微时，我们是否按照爱因斯坦的革新谋略，坚持量子场论的牛顿惯性系与费曼路径积分的数学结构尽量不变，按照洛伦兹坚持牛顿惯性系的思路，重构广义相对论会带来量子引力研究的新希望。
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