狭义和广义相对论浅说

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1、狭义和广义相对论浅说 - 爱因斯坦与相对论 作者：黄烨 摘自百年科学发现关于光的性质，还有很多谜，直到现在也无法用科学解释。光是怎样产生的？在空间 如何传播？光怎样从物质出现？光是什么，是物质、振动、还是纯能？颜色是否为光必不 可少？对于这许许多多的问题，科学已经作出了部分解释，但归根结底，这些问题尚未解 答。不过，20世纪初，在人们了解光、研究光的过程中，带来了物理学的两场革命，这就 是相对论和量子论。为建立这两个理论体系，许多科学家都作出了重要贡献，他们都是一 些杰出的物理学大师，其中最为突出的是爱因斯坦。 爱因斯坦的学生时代艾伯特爱因斯坦于1879年3月14日在德国小城乌尔姆出生，他的父

2、母都是犹太人。 爱因斯坦有一个幸福的童年，他的父亲是位平静、温顺的好心人，爱好文学和数学。他的 母亲个性较强，喜爱音乐，并影响了爱因斯坦，爱因斯坦从六岁起学小提琴，从此小提琴 成为他的终生伴侣。爱因斯坦的父母对他有着良好的影响和家庭教育，家中弥漫着自由的 精神和祥和的气氛。和牛顿一样，爱因斯坦年幼时也未显出智力超群，相反，到了四岁多还不会说话，家 里人甚至担心他是个低能儿。六岁时他进入了国民学校，是一个十分沉静的孩子，喜欢玩 一些需要耐心和坚韧的游戏，例如用纸片搭房子。1888年进入了中学后，学业也不突出， 除了数学很好以外，其他功课都不怎么样，尤其是拉丁文和希腊文，他对古典语言毫无兴 趣。当

3、时的德国学校必须接受宗教教育，开始时爱因斯坦非常认真，但当他读了通俗的科 学书籍后，认识到宗教里有许多故事是不真实的。12岁时他放弃了对宗教的信仰，并对所 有权威和社会环境中的信念产生了怀疑，并发展成一种自由的思想。爱因斯坦发现周围有 一个巨大的自然世界，它离开人类独立存在，就象一个永恒的谜。他看到，许多他非常尊 敬和钦佩的人在专心从事这项事业时，找到了内心的自由和安宁。于是，少年时代的爱因 斯坦就选择了科学事业，希望掌握这个自然世界的奥秘，而一旦选择了这一道路，就坚持 不懈地走了下去，从来没有后悔过。1895年，爱因斯坦来到瑞士苏黎世，准备投考苏黎世的联邦工业大学，虽然他的数学 和物理考得很

4、不错，但其他科目没有考好，学校校长推荐他去瑞士的阿劳州立中学学习一 年，以补齐功课。在阿劳州立中学的这段时光中使爱因斯坦感到快乐，他尝到了瑞士自由 的空气和阳光，并决心放弃德国国籍。1896年，爱因斯坦正式成为一个无国籍的人，并考进了联邦工业大学。大学期间，爱 因斯坦迷上了物理学，一方面，他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作， 钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授的家中请教。另一方 面，他的大部分时间是去物理实验室去做实验，迷恋于直接观察和测量。1900年，爱因斯 坦大学毕业。1901年，他获得了瑞士国籍。1902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因 斯坦终

5、于在伯尔尼的瑞士联邦专利局找到了一份稳定的工作当技术员。狭义相对论的创立早在16岁时，爱因斯坦就从书本上了解到光是以很快速度前进的电磁波，他产生了一 个想法，如果一个人以光的速度运动，他将看到一幅什么样的世界景象呢？他将看不到前 进的光，只能看到在空间里振荡着却停滞不前的电磁场。这种事可能发生吗？与此相联系，他非常想探讨与光波有关的所谓以太的问题。以太这个名词源于希腊， 用以代表组成天上物体的基本元素。17世纪，笛卡尔首次将它引入科学，作为传播光的媒 质。其后，惠更斯进一步发展了以太学说，认为荷载光波的媒介物是以太，它应该充满包 括真空在内的全部空间，并能渗透到通常的物质中。与惠更斯的看法不同

6、，牛顿提出了光 的微粒说。牛顿认为，发光体发射出的是以直线运动的微粒粒子流，粒子流冲击视网膜就 引起视觉。18世纪牛顿的微粒说占了上风，然而到了19世纪，却是波动说占了绝对优势， 以太的学说也因此大大发展。当时的看法是，波的传播要依赖于媒质，因为光可以在真空 中传播，传播光波的媒质是充满整个空间的以太，也叫光以太。与此同时，电磁学得到了 蓬勃发展，经过麦克斯韦、赫兹等人的努力，形成了成熟的电磁现象的动力学理论电 动力学，并从理论与实践上将光和电磁现象统一起来，认为光就是一定频率范围内的电磁 波，从而将光的波动理论与电磁理论统一起来。以太不仅是光波的载体，也成了电磁场的 载体。直到19世纪末，人

7、们企图寻找以太，然而从未在实验中发现以太。但是，电动力学遇到了一个重大的问题，就是与牛顿力学所遵从的相对性原理不一致。 关于相对性原理的思想，早在伽利略和牛顿时期就已经有了。电磁学的发展最初也是纳入 牛顿力学的框架，但在解释运动物体的电磁过程时却遇到了困难。按照麦克斯韦理论，真 空中电磁波的速度，也就是光的速度是一个恒量，然而按照牛顿力学的速度加法原理，不 同惯性系的光速不同，这就出现了一个问题：适用于力学的相对性原理是否适用于电磁学？ 例如，有两辆汽车，一辆向你驶近，一辆驶离。你看到前一辆车的灯光向你靠近，后一辆 车的灯光远离。按照麦克斯韦的理论，这两种光的速度相同，汽车的速度在其中不起作用

8、。 但根据伽利略理论，这两项的测量结果不同。向你驶来的车将发出的光加速，即前车的光 速=光速+车速；而驶离车的光速较慢，因为后车的光速=光速-车速。麦克斯韦与伽利略关 于速度的说法明显相悖。我们如何解决这一分歧呢？19世纪理论物理学达到了巅峰状态，但其中也隐含着巨大的危机。海王星的发现显示 出牛顿力学无比强大的理论威力，电磁学与力学的统一使物理学显示出一种形式上的完整， 并被誉为“一座庄严雄伟的建筑体系和动人心弦的美丽的庙堂”。在人们的心目中，古典 物理学已经达到了近乎完美的程度。德国著名的物理学家普朗克年轻时曾向他的老师表示 要献身于理论物理学，老师劝他说：“年轻人，物理学是一门已经完成了的

9、科学，不会再 有多大的发展了，将一生献给这门学科，太可惜了。”爱因斯坦似乎就是那个将构建崭新的物理学大厦的人。在伯尔尼专利局的日子里，爱 因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。 在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹 发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安， 这就是绝对参照系以太的存在。他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验 都是失败的。经过研究爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在 洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：以及绝对参照系是

10、必要的吗？电磁场一定 要有荷载物吗？ 爱因斯坦喜欢阅读哲学著作，并从哲学中吸收思想营养，他相信世界的统一性和逻辑 的一致性。相对性原理已经在力学中被广泛证明，但在电动力学中却无法成立，对于物理 学这两个理论体系在逻辑上的不一致，爱因斯坦提出了怀疑。他认为，相对论原理应该普 遍成立，因此电磁理论对于各个惯性系应该具有同样的形式，但在这里出现了光速的问题。 光速是不变的量还是可变的量，成为相对性原理是否普遍成立的首要问题。当时的物理学 家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。 19世纪末，马赫在所著的发展中的力学中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦 留下

11、了深刻的印象。1905年5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年 的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦 领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说： 谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义，时间与 光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作， 爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。1905年6月30日，德国物理学年鉴接受了爱因斯坦的论文论动体的电动力学 ，在同年9月的该刊上发表。这篇论文是关于狭义相对论的第一篇文章，它包含了狭义相 对论的基

12、本思想和基本内容。狭义相对论所根据的是两条原理：相对性原理和光速不变原 理。爱因斯坦解决问题的出发点，是他坚信相对性原理。伽利略最早阐明过相对性原理的 思想，但他没有对时间和空间给出过明确的定义。牛顿建立力学体系时也讲了相对性思想， 但又定义了绝对空间、绝对时间和绝对运动，在这个问题上他是矛盾的。而爱因斯坦大大 发展了相对性原理，在他看来，根本不存在绝对静止的空间，同样不存在绝对同一的时间， 所有时间和空间都是和运动的物体联系在一起的。对于任何一个参照系和坐标系，都只有 属于这个参照系和坐标系的空间和时间。对于一切惯性系，运用该参照系的空间和时间所 表达的物理规律，它们的形式都是相同的，这就是

13、相对性原理，严格地说是狭义的相对性 原理。在这篇文章中，爱因斯坦没有多讨论将光速不变作为基本原理的根据，他提出光速 不变是一个大胆的假设，是从电磁理论和相对性原理的要求而提出来的。这篇文章是爱因 斯坦多年来思考以太与电动力学问题的结果，他从同时的相对性这一点作为突破口，建立 了全新的时间和空间理论，并在新的时空理论基础上给动体的电动力学以完整的形式，以 太不再是必要的，以太漂流是不存在的。什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢？一般 来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度， 但如何没出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以

14、及信号传递所需的时间，空间距 离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两 个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？答案是还需要 一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又需要一种新信号，这样无 穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联 系，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速不是无限大，这样就产生一个新奇的 结论，对于静止的观察者同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个 高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，

15、甲站在站台上，有两道闪电在甲 眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲 来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所在位置，这 两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不 同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收 到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。也就是说，同时性不是绝对 的，而取决于观察者的运动状态。这一结论否定了牛顿力学中引以为基础的绝对时间和绝 对空间框架。

16、相对论认为，光速在所有惯性参考系中不变，它是物体运动的最大速度。由于相对论 效应，运动物体的长度会变短，运动物体的时间膨胀。但由于日常生活中所遇到的问题， 运动速度都是很低的（与光速相比），看不出相对论效应。爱因斯坦在时空观的彻底变革的基础上建立了相对论力学，指出质量随着速度的增加 而增加，当速度接近光速时，质量趋于无穷大。他并且给出了著名的质能关系式：E=mc2， 质能关系式对后来发展的原子能事业起到了指导作用。 广义相对论的建立1905年，爱因斯坦发表了关于狭义相对论的第一篇文章后，并没有立即引起很大的反 响。但是德国物理学的权威人士普朗克注意到了他的文章，认为爱因斯坦的工作可以与哥 白尼相媲美，正是由于普朗克的推动，相对论很快成为人们研究和讨论的课题，爱因斯坦 也受到了学术界的注意。1907年，爱因斯坦听从友人的建议，提交了那篇著名的论文申请联邦工业大学的编外 讲师职位，但得到的答复是论文无法理解。虽然在德国物理学界爱因斯坦已经很有名气， 但在瑞士，他却得不到一个大学的教职，许多有名望的人开始