狭义相对究的创立

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1、返回首页返回首页 .1 狭义相对论的创立11 基本思路.1 1-1 1 两条公设.2 112 时间概念.3 113 狭义相对论的创立和迈克耳孙一莫雷实验的关系.4 12 相对论时空效应的发现.5 121 物理几何化.5 122 速度合成定理的应用.6 13 相对论物理学的发展.7 131 对电磁学理论的检验.7 132 质量的相对论性效应的发现.7 133 相对论质能关系的提出.10 狭义相对论的创立狭义相对论的创立 麦克斯韦方程组的建立， 使大多数物理学家坚信以太和绝对空间的存在， 企 图把它与伽利略变换协调起来 在研究电磁现象的过程中， 实验观测结果与理论计算结果的不 一致， 并未使他们醒

2、悟过来 他们对每一个实验引入一个 “特设性假设“ 电磁学理论仅在它 的辅助下， 才得以解释实验观测结果 而各种相互矛盾的 “特设性假设” ， 更败坏了这种方法的 声誉 这种做法由于夺去了 “电磁场理论” 的普遍性而受到批评 物理学开始寻找更普遍的原理， 用更统一的方法解释实验观测结果， 终于走上了修改伽利略变 换， 重新启用相对性原理的正确道路 由于以太观念作怪， 大多数物理学家是不自觉的， 对问 题的症结缺乏正确的理解， 失去了发现相对论的历史机会 爱因斯坦一开始就作出了正确的选择： 麦克斯韦方程组与相对性原理有效， 伽利略变换和牛顿 力学失效 他抓住了历史的机遇， 独立地创造了相对论 在本

3、书第 1 卷中对理论结构已有了系 统的叙述， 这里不再重复， 仅从历史角度谈几个问题 11 基本思路 基本思路 1905 年 9 月在德国物理学杂志上，发表了爱因斯坦划时代的论文论动体的电动力学 ， 宣告了狭义相对论的诞生 这是一篇用简明朴素的语言写成的文章， 通篇没有引征任何参考 文献， 仅有的几个脚注也只是说明性的， 在致谢段里只提到他的一位不为人知的朋友， 青年工 程师贝索(M Besso， 18731955) 这种情况表明， 爱因斯坦当时远离学术界， 未曾同任何一位 物理大师有直接的交往， 也不甚了解最新的物理学研究进展 也许正是由于这种状况， 使他得 以超脱传统的和流行的思想的束缚和

4、影响， 凭着自己的独立思考， 创立了崭新的革命性的物理 学理论 爱因斯坦是如何创立狭义相对论的? 这里试图根据他的论动体的电动力学这篇原始论文，他在晚年写的学术 回忆录 自述 (1946)， 1922 年 12 月在日本京都大学所作的讲演 我是如何创立狭义相对论 的以及其他一些资料，对他的创造思路作一些追溯 1-1 1 两条公设两条公设 早在中学时代， 爱因斯坦就从伯恩斯坦所著多卷本 自然科学通俗读本 中 了解了整个自然科学领域里的主要成果和方法这本书第一卷的开头部分论述 了有关光速的内容， 爱因斯坦无意中想到了一个奇特的 “追光悖论” 在 自述 中 他写道：“这个悖论我在 16 岁时就已经无

5、意中想到了：如果我以速度 c(真空中 的光速)追随一条光线运动，那么我就应当看到，这样一条光线就好像一个在空 间里振荡着而停滞不前的电磁场 可是， 无论是依据经验， 还是按照麦克斯韦方 程，看来都不会有这样的事情“ 这种思考， 已经包含了狭义相对论原理的萌芽 即认为在追光中， 麦克斯韦方程是有效的， 相 对性原理是有效的， 而伽利略速度相加是可怀疑的， 它是追光悖论产生的根源经过对 诸如此类问题的十年沉思，其间他又阅读了洛仑兹 1895 年的专著，使他终于在 1905 年 6 月创建了狭义相对论 在 论动体的电动力学 的一开头， 爱因斯坦写道：“大家知道， 麦克斯韦电动力学像现在通 常为人们所

6、理解的那样应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称， 而这种不对称似乎 不是现象所固有的 “ 他举例说：“设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用 在这里， 可观察到的现象只同导体和磁体的相对运动有关“ 从现象上看， 无论磁体或导体谁在运动， 导体中都会产生相同的感生电流 “可是按照通常的看法， 这两个物体之中， 究竟是这个在运 动， 还是那个在运动， 却是截然不同的两回事 “ 如果是磁体在运动， 它的周围出现一个具有一 定能量的涡旋电场， 它在静止导体中产生电流； 如果是导体在运动， 静止磁体周围就没有电 场，是磁场在运动导体中产生电动势，它也在导体中产生电流， 但能量是由维持导体运动的

7、 外力所作的功提供的 这个简单的例子， 清晰地揭示了运动物体电动力学中的 “不对称” 这里 所说的 “不对称” ， 指 “相对性原理” 遭到了破坏爱因斯坦认为，这种不对称性不应该是电动 力学现象所固有的 他在日本京都的讲演中说： “在我还在读书时期， 当我思考有关相对论的问 题时，我逐渐了解到迈克耳孙一莫雷实验的奇特结果接着，我得出这样的结论： 如果认为迈克耳孙实验的零结果是事实的话，那么我们关于地球相对以太运动 的想法就是不正确的，这就是把我引导到狭义相对论的第一条思路“ 这条思路的形成， 一方面借助于 “企图证实地球相对于 光媒质 运动的实验 的失败“ 的事实， 另一方面借助于他对 “以太

8、” 这个使绝对时空观借尸还魂的躯壳 的尖锐批判 爱因斯坦猜想： “绝对静止这概念， 不仅在力学中， 而且在电动力学 中也不符合现象的特性， 倒是应当认为， 凡是对力学方程适用的一切坐标系， 对 于上述电动力学和光学的定律也一样适用， 对于第一级微量来说， 这是已经证明 了的“ 这个猜想就是相对性原理“面对着这种情况， 人们可以采取的最近便的 观点似乎是认为以太根本不存在 认为电磁场不是一种媒质的状态， 而是一种独 立的实在， 就像有重物质的原子那样， 不能归结为任何别的东西， 也不依附在任 何载体之上 “ 在 论动体的电动力学 中爱因斯坦断言：“ 光以太 的引用将被证 明是多余的“ 爱因斯坦在

9、取消了绝对空间的同时， 也取消了以太 把 “相对性原理” 从力学领域推广到电动力 学领域， 并把它 “提升为公设” ， 作为他重建理论的出发点， 以消除上述“不对称性” 同以前的研究者不同， 爱因斯坦不是牵强附会地去解释在地球上测定以太 漂移速度实验的零结果， 而是把它看作自然界某些普遍原理的体现 一方面他从 中领悟到这正是相对性原理在力学领域和电磁学领域普遍成立的证明； 另一方 面他又从中发现了光速不变性概念 他在日本京都大学的演讲中回忆：“我有幸 读到 1895 年洛仑兹的专著 在其中他讨论在一级近似的范围内解决了电动力学 的问题，这时他忽略了 vc 的高次项，其中 v 物体的运动速度，c

10、 为光速然 后我假定， 关于电子的洛仑兹方程不仅在洛仑兹原先讨论的真空参考系中成立， 而且也应该在运动物体的参考系中成立 我试着用这一假定去讨论菲索实验 在 那时， 我坚信麦克斯韦和洛仑兹的电动力学方程都是正确的 此外， 如果假定这 些方程对运动物体参考系也成立， 就会得出光速不变性的概念 不过， 这一概念 同力学中的速度相加法则相矛盾“ 在 论动体的电动力学 中， 爱因斯坦提出了第二个公设，“光在空虚空间里是以一确定的速度 c 传播着， 这速度同发射体的运动状态无关“ 这就是光速不变原理 由此出发改造伽利略速 度相加法则， 以建立新的时空理论“由这两条公设， 根据静体的麦克斯韦方程， 就可以

11、得到一 个简单而又不自相矛盾的动体电动力学“ 112 时间概念时间概念 为什么会出现上述矛盾?他在上述报告中讲道：“我觉得这个问题很难解 决， 我花了整整一年的时间， 试图仿照洛仑兹的设想来解决这个问题， 但是徒劳 无益， 是我在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮我摆脱了困境 那是一晴朗的日子， 我 带着这个问题访问了他， 我们讨论了这个问题的每一个方面， 忽然我领悟到了这 个问题的症结所在 第二天我告诉他， 我完全解决了这个问题 这个问题的答案 来自对时间概念的分析， 不可能绝对地确定时间， 在时间与信号传播速度之间有 着不可分割的联系 利用这一新观念， 我第一次彻底解决了这个难题 就这样， 在 五周

12、内就创建了狭义相对论“ 在牛顿力学时代， 事实上在自然哲学发展的所有时代， 只有一种时间， 那就是绝对时间，它 均匀地并与其他任何东西无关地流逝着 爱因斯坦强调了马赫表达的一个观点， 即概念必须基于测量才有物理意义 他用操作定义讨 论了 “时间” 的物理意义， 他说 “直到最后， 我终于醒悟到时间是可疑的“，并作了如下分析： (1)一个观察者为测量一个静止物体的长度，读出一根米尺上终端标记的程序是清晰明了 的 为测量发生在同一地点两个事件之间的时间间隔， 读出在同一地点静止钟的时间差的程 序也是清晰明了的 (2)一个观察者为测量在两个不同地点发生的两个事件的时间，需要校正安置在两地的静止 钟校正程序如下： 从 A 点在时间 (A