狹義相對論_modified by leqiong~~論文.doc

狹義相對論的歷史回顧 江西師范大學 物理與通信電子學院 樂瓊 江西 330046摘 要： 本文簡要回顧了狹義相對論發(fā)現(xiàn)的歷史，從概念到思維，由理論和方法，以及應(yīng)用理解到歸納創(chuàng)新等方面，論述狹義相對論是愛因斯坦集之前諸多科學家的科學成果精品之作。表達了狹義相對論的發(fā)現(xiàn)是體現(xiàn)科學繼承性的一個很好的典范。最后簡述了廣義相對論較之狹義相對論為愛因斯坦的獨創(chuàng)，是體現(xiàn)科學原創(chuàng)性的典范。關(guān)鍵詞： 愛因斯坦 創(chuàng)新 狹義相對論 廣義相對論1 引言愛因斯坦于1905年6月向德國的物理年鑒(Annalen der Physik)發(fā)表了論動體的電動力學論文，這種理論依據(jù)的兩條原理分別是力學相對性原理和光速不變性，標志著愛因斯坦創(chuàng)立了狹義相對論，使電磁場理論和經(jīng)典力學得到了統(tǒng)一，開創(chuàng)了物理學的新紀元。研究近代物理學史，深感狹義相對論是愛因斯坦科學創(chuàng)新的精美標本。但是縱觀狹義相對論發(fā)現(xiàn)的歷史，不難發(fā)現(xiàn)其是集之前多為偉大科學家研究成果之上的大成。狹義相對論的發(fā)現(xiàn)，無疑是愛因斯坦的創(chuàng)新，但其創(chuàng)新是繼承性，所以在這個過程中必須體現(xiàn)出麥克斯韋、伽利略、洛倫茲等偉大科學家的功績。這同樣也是對科學研究繼承性的尊重。本文追述了狹義相對論的發(fā)現(xiàn)過程，展示了狹義相對論的創(chuàng)新性是體現(xiàn)科學繼承性的一個很好的典范。當然科學研究同樣也需要另外一種推出出新的創(chuàng)新性，愛因斯坦的廣義相對論為一個很好的典范，后文略有敘述。2 愛因斯坦之前的狹義相對論2.1 從哥白尼到“舟行不覺”的伽利略相對性哥白尼在16世紀中期提出日心說。盡管較之極其繁瑣的托勒密地心說完美而簡單，既符合畢達格拉斯勻速圓周運動思想和亞里士多德物理學的宇宙幾何學說，又試圖以日心說的和諧證明上帝存在，但哥白尼認為太陽是宇宙中心，違背圣經(jīng)、觸及上帝權(quán)威，仍被視為異端。17世紀初，天主教會宣布禁令。布魯諾支持哥白尼，且并不以為太陽是中心，主張宇宙無限、不存在中心，1600年被活活燒死。贊同哥白尼學說的伽利略也受到嚴重迫害。亞里士多德一托勒密體系的維護者竭力在學術(shù)上反對日心說，一個重要理由是：如果地球在高速運動，為什么人們感覺不到? 對此伽利略做了回答，伽利略開創(chuàng)了實驗和理性思維相結(jié)合的近代物理研究方法，得到許多重要結(jié)果，在名著 關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話 (1632年) 和(關(guān)于兩門新科學的對話(1638年)中，做了系統(tǒng)的總結(jié)。在第一部對話中，伽利略寫道：“把你和你的朋友關(guān)在一條大船甲板下的主艙里。在仔細觀察這些事情之后，再使船以任何速度前進，只要運動是勻速、不要左右擺動，你會發(fā)現(xiàn)，所有上述現(xiàn)象絲毫沒有變化。你也無法從其中任何一個現(xiàn)象來確定船是在運動，還是停著不動；即使船運動得相當快?！彼撟C了極為重要的道理：從平穩(wěn)行駛的船中發(fā)生的任何“事情”，無法判斷船是在平穩(wěn)勻速運動還是靜止不動。駁斥了地心說對地動的非難。在第二部對話中，伽利略表述了另一重要結(jié)果。沿斜面AB滑下的物體，在B點以其得到的速度沿著斜面BC向上運動，則物體不受BC傾斜的影響仍將達到與A點相同的高度，只是需要的時間不同；當?shù)诙€斜面為既不上升、亦不下降的水平面時，物體將一直以已獲得的速度永遠向前運動。伽利略前進了一大步，認識到不受其他物體作用，物體可以運動不止，非常接近慣性定律。2.2 19世紀末電磁學的輝煌成就和矛盾1864年，麥克斯韋建立了統(tǒng)一的電磁場理論麥克斯韋方程組，由電磁場理論預(yù)言了電磁波的存在，并認為光波也是電磁波，提出了光的電磁學說，統(tǒng)一了電磁學和光學。1887年赫茲用實驗證實了電磁波的存在，麥克斯韋電磁場理論取得了巨大成功。公式（1）為麥克斯韋方程組。 （1）然而，電磁場的一些規(guī)律與牛頓力學理論相矛盾。（1）以太不存在的證明： 邁克爾孫一莫雷實驗，讓一臺干涉儀轉(zhuǎn)動90度，觀察干涉條紋是否移動。原理是：如果以太充滿于整個空間，地球在繞太陽運動中，若以地球為參考，就會存在“以太風”，光線在不同方向運動的速度就會不同。因此，干涉儀中垂直等距的兩臂中的光速將不同。當干涉儀轉(zhuǎn)過9O度，其兩臂互換方位時，兩條光線的速度也發(fā)生互換，因而會發(fā)生干涉條紋移動現(xiàn)象。但實驗結(jié)果沒有觀測到預(yù)期的條紋移動。（2）電磁場規(guī)律不滿足伽利略相對性原理。（3）在真空中電磁波的傳播速度是一常量，且與光速值吻合。這與伽利略速度變換公式矛盾。（4）電子的質(zhì)量隨其運動速度的增加而變大。這與牛頓力學質(zhì)量是常量的結(jié)論矛盾。2.3 物理學家為解決上述矛盾的科學探索(1) 洛倫茲假設(shè)上述矛盾使物理學家意識到，只有在理論上大膽背離經(jīng)典物理學的傳統(tǒng)觀念，才有希望做出成功的解釋。愛爾蘭物理學家斐茲杰拉、荷蘭物理學家洛倫茲研究電磁學理論后，認為傳播光的媒質(zhì) 以太是存在的。并先后提出了長度收縮假設(shè)(稱為洛倫茲一斐茲杰拉收縮假設(shè))，認為在以太中運動的物體沿其運動方向?qū)湛s一定倍數(shù)(其收縮倍數(shù)與后來愛因斯坦推導出的收縮倍數(shù)相同)。因此，在邁克爾孫一莫雷干涉儀中，沿著地球運動方向的“臂”都會發(fā)生收縮，所以干涉儀轉(zhuǎn)過90度時，當然不會造成干涉條紋的移動了。洛倫茲還認為一切相對于以太運動的物體，沿著運動方向的收縮會導致物質(zhì)原子結(jié)構(gòu)的變形，是真實的物理效應(yīng)。為了使電磁場規(guī)律滿足伽利略相對性原理，1904年，洛倫茲由以太假說，修改了伽利略變換式，推出新的變換關(guān)系式一洛倫茲變換式。對于洛倫茲變換式中的時間公式的物理意義，洛倫茲用“局部時間”的概念解釋，認為并不是真正的時間。為了解釋電子質(zhì)量隨其運動速度增加而變大的關(guān)系，洛倫茲假設(shè)電子的質(zhì)量起源于電磁，由電子的線度沿著運動方向收縮推出了電子質(zhì)量與其運動速度之間的關(guān)系式(與后來愛因斯坦推出的電子質(zhì)量公式形式相同)。(2) 拉摩和馬赫的嘗試英國物理學家拉摩在1900年左右也推出了洛倫茲變換，發(fā)現(xiàn)了時間變慢公式，并提出必須拋棄以太的機械觀念。奧地利物理學家馬赫在著作發(fā)展中的力學中提出，根本不存在絕對空間和絕對運動，一切運動都是相對的。拉摩和馬赫已經(jīng)看出了牛頓力學理論體系的內(nèi)在矛盾，但是他們都沒有突破傳統(tǒng)理念的束縛，沒能建立新的理論。(3) 彭加勒的貢獻法國數(shù)學物理學家彭加勒在1905年之前已經(jīng)接近了相對性原理和光速不變原理的提出。他引進了四維時空觀念，提出物理定律對于洛倫茲變換應(yīng)該具有不變的形式，推測真空中的光速是常數(shù)，而且可能是極限速度。1904年他在圣路易斯會議的報告中寫道：“應(yīng)該構(gòu)造一種完全新的動力學，那里的慣性隨速度而增長，以致光速成為一個不可逾越的極限”。洛倫茲和彭加勒等物理學家雖然做了許多工作，也已走到了狹義相對論的邊緣，只是觀念均未能取得突破性進展。3 愛因斯坦與狹義相對論愛因斯坦通過鉆研麥克斯韋、洛倫茲、彭加勒和馬赫等物理學家的主要著作，在前人研究的基礎(chǔ)之上，認識到了解決電磁學現(xiàn)象與牛頓力學矛盾的關(guān)鍵所在。1905年6月完成了論動體的電動力學論文，以推陳創(chuàng)新的膽略和智慧解決了電磁場規(guī)律與牛頓力學理論的矛盾。3.1 觀念上創(chuàng)新拼棄光以太假說當時，愛因斯坦還不知道邁克爾孫一莫雷實驗，但他認為“光媒質(zhì)” 以太是不存在的。在論動體的電動力學論文的第2自然段，他就明確指出：“光以太的引入將被證明是多余的，”。直接拼棄以太假說和絕對參考系假說，徹底打破了光的傳播需要媒質(zhì)的傳統(tǒng)觀念，為創(chuàng)立狹義相對論掃清了道路。3.2 思維上創(chuàng)新一擺脫牛頓力學絕對時空觀的束縛對牛頓力學成立的伽利略變換，在電磁學理論中不成立的原因，愛因斯坦認為是牛頓的絕對時間、絕對空間有問題。而且，愛因斯坦認為解決問題的關(guān)鍵是更改時間和同時性的定義。因此，在論文的第一部分，愛因斯坦明確地確定了時間和同時性的定義。愛因斯坦指出：“借助于某些(假想的)物理經(jīng)驗，對于靜止在不同地方的各只鐘，規(guī)定了什么叫做它們是同步的，從而顯然也就獲得了同時和時間的定義。一個事件的時間，就是在這事件發(fā)生地點靜止的一只鐘同該事件同時的一種指示，而這只鐘是同某一只特定的靜止的鐘同步的，而且對于一切的時間測定，也都是同這只特定的鐘同步的?！蓖瑫r愛因斯坦還指出“我們不能給予同時性這概念以任何絕對的意義；兩個事件，從一個坐標系看來是同時的，而從另一個相對于這個坐標系運動著的坐標系看來，它們就不能再被認為是同時的事件了?！睈垡蛩固躬毜降膭?chuàng)新思想，對時間和同時性的準確定義，擺脫了牛頓力學絕對時空觀的束縛，給物理學的發(fā)展帶來了質(zhì)的飛躍，為創(chuàng)立狹義相對論邁出了關(guān)鍵一步。33 理論上創(chuàng)新提出兩條基本原理為了確定慣性系中的時間坐標(即“公共時間”，也就是對鐘)，愛因斯坦革命性地提出光在真空中的傳播速度都相等，即光速不變原理，用光速不變原理來定義慣性系中的時間坐標(這就是狹義相對論與牛頓力學的區(qū)別)，肯定了真空中的光速是常量，不依賴于慣性系的選擇，且與光源或觀測者的運動無關(guān)。同時，愛因斯坦還提出在一切慣性系中物理定律都具有相同的數(shù)學表達形式，即相對性原理，時間和運動對于觀察者來說都是相對的。愛因斯坦還證明了相對性原理和光速不變原理是相容的。這兩條原理是狹義相對論的重要基礎(chǔ)。應(yīng)用洛倫茲變換式，愛因斯坦發(fā)現(xiàn)：(1)同時性的相對性：在一個慣性系中的兩個不同地點同時發(fā)生的兩個物理事件，在另一個相對于該慣性系運動的慣性系看來不再是同時發(fā)生的。(2)運動物體的長度收縮：運動物體沿著運動方向的長度比其靜止時的長度縮短了。(3)運動時鐘的變慢：一切發(fā)生在運動慣性系上的過程，在靜止慣性系上看來都變慢了。愛因斯坦得出的上述重要結(jié)論，和洛倫茲當初推出這些公式的時候，理解上是不同的。愛因斯坦以極大的創(chuàng)新性理解指出：這是狹義相對論時空觀，是一種普遍的相對論運動學效應(yīng)。推翻了洛倫茲的高速電子沿運動方向的收縮是真實的物理效應(yīng)，以及局部時間的理論。由洛倫茲變換式愛因斯坦還得出結(jié)論：時間不是絕對的，是與空間聯(lián)系在一起的；時間、空間和物質(zhì)運動三者緊密關(guān)聯(lián)。3.4 兩條基本原理與洛倫茲變換（1）時空坐標間的變換關(guān)系 或 （2）作為一條公設(shè)，我們認為時間和空間都是均勻的，因此時空坐標間的變換必須是線性的。對于任意事件P在S系和S系中的時空坐標(x，y，z，t)、(x，y，z，t)，因S 相對于S以平行于 x軸的速度v作勻速運動，顯然有y=y, z=z。圖1 時空關(guān)系與參考系示意圖在S系中觀察S系的原點，x=0；在S系中觀察該點，x=-vt，即x+vt=0。因此x=x +vt。在任意的一個空間點上，可以設(shè)：x=k（x +vt），k是比例常數(shù)。同樣地可得到：x=k（x-vt）= k（x+(-v)t） （3）根據(jù)相對性原理，慣性系S系和S系等價，上面兩個等式的形式就應(yīng)該相同（除正、負號），所以k=k。（2）由光速不變原理可求出常數(shù)k當速度u、v遠小于光速c時，即在非相對論極限下，相對論的速度變換公式即轉(zhuǎn)化為伽利略速度變換式。利用速度變換公式，可證明光速在任何慣性系中都是c 。一個物體的質(zhì)量是無限大，這是不可思義的。要使一個趨向無限大的質(zhì)量加速，無疑需要一個趨向無限大的力?？墒?，自然界里，沒有一個物體的質(zhì)量是無限大的，也沒有一個力是無限大的。宇宙廣闊無垠，但其中每一個成員如太陽、地球卻都是有限的，每個成員受到的力也是有限的。這樣，唯一正確的論斷只能是一切物體運動的速度不能超過或者等于光速。3.5 歸納創(chuàng)新創(chuàng)立狹義相對論在論動體的電動力學論文中，愛因斯坦推導出洛倫茲變換式，確立了新的時空、運動關(guān)系。接著，愛因斯坦歸納創(chuàng)新推出了新的速度加法定理并修正了牛頓力學中的動量、動能、質(zhì)量等公式，使它們都滿足了相對性原理。同年9月，愛因斯坦又發(fā)表了題為物體的慣性同它所含的能量有關(guān)嗎?論文，提出了著名的質(zhì)能關(guān)系式，闡明質(zhì)量是的物體蘊藏著的能量，為原子能的開發(fā)、利用提供了理論依據(jù)。愛因斯坦這兩篇論文成為狹義相對論的重要結(jié)論，狹義相對論誕生了。狹義相對論揭露了空間和時間之間，以及時空和運動物質(zhì)之間的深刻聯(lián)系。這種相互聯(lián)系，把牛頓力學中認為互不相關(guān)的絕對空間和絕對時間，結(jié)合成為一種統(tǒng)一的運動物質(zhì)的存在形式。在物體的速度遠小于光速時，狹義相對論有關(guān)公式轉(zhuǎn)變?yōu)榕ｎD力學公式，反映了自然界的和諧與統(tǒng)一。歷史證明，狹義相對論極大地推動了科學發(fā)展進程，成為現(xiàn)代物理學的基本理論之一。4 愛因斯坦的原創(chuàng)性創(chuàng)新廣義相對論 狹義相對論為發(fā)現(xiàn)是愛因斯坦繼承性或者叫歸納性創(chuàng)新的的一個很好的典范，而且它并是不是完美無瑕，比如引力場問題就沒有解決。廣義相對論是阿爾伯特愛因斯坦于1916年發(fā)表的用幾何語言描述的引力理論，它代表了現(xiàn)代物理學中引力理論研究的最高水平。廣義相對論將經(jīng)典的牛頓萬有引力定律包含在狹義相對論的框架中，并在此基礎(chǔ)上應(yīng)用等效原理而建立。在廣義相對論中，引力被描述為時空的一種幾何屬性（曲率）；而這種時空曲率與處于時空中的物質(zhì)與輻射的能量-動量張量直接相聯(lián)系，其聯(lián)系方式即是愛因斯坦的引力場方程（一個二階非線性偏微分方程組）。從廣義相對論得到的有關(guān)預(yù)言和經(jīng)典物理中的對應(yīng)預(yù)言非常不相同，尤其是有關(guān)時間流逝、空間幾何、自由落體的運動以及光的傳播等問題，例如引力場內(nèi)的時間膨脹、光的引力紅移和引力時間延遲效應(yīng)。廣義相對論的預(yù)言至今為止已經(jīng)通過了所有觀測和實驗的驗證雖說廣義相對論并非當今描述引力的唯一理論，它卻是能夠與實驗數(shù)據(jù)相符合的最簡潔的理論。圖2 廣義相對論的彎曲空間示意圖相比之下廣義性對論更具