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1、第4讲,相对论的历史与哲学,1900年英国物理学家开尔文在瞻望20世纪物理学的发展的文章中说到：,也就是说：物理学已经没有什么新东西了，后一辈只要把做过的实验再做一做，在实验数据的小数点后面在加几位罢了！,但开尔文毕尽是一位重视现实和有眼力的科学家，就在上面提到的文章中他还讲到：,黑体辐射实验,迈克尔逊- 莫雷实验,后来的事实证明，正是这两朵乌云发展成为一埸革命的风暴，乌云落地化为一埸春雨，浇灌着两朵鲜花。,危机之一:迈克尔逊莫雷实验（1881-1887）,迈克尔逊 莫雷物理学家 化学家,迈克尔逊：地球就像一艘没有摩擦力的船穿过海水一样穿过“以太” 。,C:游泳者的速度；V:水流速；L:距离
2、游泳者往返一次所需时间：如果将游泳者换成光，地球的公转速度可以算出，v/c=1/10000.因此在地球上验证地球穿越以太的实验，其精度起码达到一亿分之一！,“零结果”！,对这个实验结果只有两种可能的解释：要么以太随着地球一起运动（斯托克斯1846年的以太拖曳，基于1818年菲涅尔发现的光速在流水中的变化），而这就无法解释布拉德雷1728年发现的光行差现象（利用以太风理解恒星光的偏移）；要么根本没有以太这种东西。 迈克耳逊他们如实地报道了实验结果，但迈克耳逊没有意识到他们所做的实验给出的结果具有的重大意义，他称他的实验是一次没有给出预期结果的大失败。但是正是这个实验提醒人们必须重新审查被视为“神
3、圣”的经典物理学的根基。迈克耳逊为此而获得1907年的诺贝尔物理学奖，他也是获得此奖的第一位美国人。,运动光源实验 观察双星中每颗星的半周期，如果光速与光源速度有关，则二颗星的半周期不同。,危机之二： “放射性衰变”,1895年，德国实验物理学家伦琴发现X-射线。(Wilhelm Reontgen,1845-1923）左图：伦琴夫人的手世界第一张X-照片,8吨铀矿=1克镭,1898年7月，玛丽居里（Marie Curie,1867-1934）夫妇发现钋（polonium），12月发现镭。两次获得诺贝尔奖！ 元素自行转变这违背了最基本的原子不变信念。原子不变性被打破就像物种不变性被打破一样，向科
4、学提出了一个大难题。,危机之三：“光电效应”,1887年，赫兹发现，当用光照射某些物质时，能激发出电流，而且只有光波短于一定波长才会出现这种现象。如果波长大于一定的阈值，无论怎样增加光的强度也触发不出电流。,危机之四：“黑体辐射”,“绝对黑体”（黑体）是在任何温度下都能全都吸收落在它上面的一切辐射的理想物体。根据经典物理学，可以得到：辐射的能量与频率的平方成正比。所以，当辐射频率极高时，能量必然趋于无穷大，即在紫色端发散。对于由经典物理学解决热辐射问题导致的这一结果，被称为“紫外灾难”。,“数学物理当前的危机”,物理学的新发现已经推翻了物理学过去建立起来的基本原理：放射性和镭的永恒发热的发现，
5、推翻了能量守恒定律；电子电磁质量随速度而变化的发现，推翻了质量守恒定律，“以太漂移”实验的否定结果，推翻了伽利略相对性原理；电磁作用以有限速度传播，使电荷体之间的相互作用违反了牛顿第三定律。 彭加勒科学的价值,“危机”的重大意义,第一，破除了物理学已经臻于完善的思想，发现了物理学发展的新的生长点。 第二，暴露了经典物理学的局限性，冲击和动摇了经典物理学中一系列的基本概念和基本规律。 第三，给当时占统治地位的形而上学机械论自然观以巨大的冲击，引起了人们自然观念的巨大变革。,一、爱因斯坦与相对论,是一个天才吗？,爱因斯坦出生于德国乌尔姆的犹太人家庭，幼年迁居慕尼黑。1894年他父亲经商失败后去了米
6、兰，爱因斯坦留在慕尼黑完成中学学业，但他的功课如拉丁文和希腊文很差，他只对数学感兴趣，所以老师劝他退学，并对他说：“爱因斯坦，你永远不会有多大前途。”这样这位后来要登上科学史上的最高峰的年青人中途退学了。,特立独行,1896年爱因斯坦放弃了德国国籍，在瑞士苏黎世工业大学学习。他自己有一套独特的学习和阅读19世纪伟大物理学家著作的方法，并以此代替听课。他的老师，著名物理学家韦伯：爱因斯坦，你是一个非常聪明的学生，但你最大的缺点，那就是不接受别人教你的东西！,牛顿力学的成功使近距作用退隐, 在十八世纪末，超距作用成了欧洲大陆的电学家们牢固的思想基础，安培，韦伯和诺伊曼一直用这种观点概括电荷之间的作
7、用力。 在韦伯的理论（1846）中，电力是沿电荷连线传递的超距作用；电力公式形式上统一了静电库仑力，运动电荷的安培力，加速电荷的法拉第电磁感应力。 诺伊曼理论（1845）引入了随着电流变化与线圈运动变化的矢势，从得出感应电动势。某处电流的变化，或线圈位置的移动，立即引起整个空间矢势的时间变化，而无需传播时间。 而爱因斯坦倾向于法拉第-麦克斯韦的电磁场论。,专利局的小职员,1900年8月，爱因斯坦如释重负的以“优异”成绩从大学毕业。1901年苏黎世大学却拒绝授予他博士学位爱因斯坦感到整个科学界联合起来排斥他。他的大学好友格罗斯曼将他推荐给伯尔尼专利局。爱因斯坦很满意薪水高、有闲暇：可以有充裕的时
8、间继续自己的“构想”。 1903年爱因斯坦和几位好友组建了一个俱乐部奥林匹亚科学院讨论物理学、哲学和文学。,1905年以前, 通过引入各种假设对牛顿理论修修补补, 得到了用以解释新实验结果的各种公式:斐兹杰惹（1889）洛伦兹收缩假说(1892):拉摩时钟变慢假设(1900): 洛伦兹质量速度关系式(1904): 爱因斯坦质量能量关系式: 洛伦兹变换真空光速 c 的极限性这些公式全与当时新的实验结果相符1.它们都包含真空光速 c2.它们分别来自不同的假设或不同的理论,1898 彭加勒时间的测量，确立光速不变原理 1902 彭加勒否认绝对空间，绝对时间（但仍承认有以太） 批评相对于绝对空间的动尺
9、收缩假设，认为“相对性原理”适用于电磁理论，这影响了洛伦兹提出地方时间概念。 1904 彭加勒 正确表述“相对性原理” 提到用光信号对钟，但认为得到的是地方时间，不是真实时间。 推测真空中光速c是常数，且可能是极限速度；,约定主义,彭加勒在哲学上既继承马赫的经验一元论,又继承了约翰赫歇尔与威廉惠威尔的假设主义，在科学与方法（1902），科学的价值（1905）与科学与假设（1908）等著作中提出了约定主义哲学。 “理论自然科学的许多一般的原理（惯性原理，能量守恒定律等等），往往很难说它们的起源是经验的，还是先天的。实际上它们既不属于前者，也不属于后者，它们都是以一些假说为前提的，完全是以人的意愿
10、为转移的约定。”“凡原理都是一些伪装的定义和公约，不过它们仍是由实验的定律引出的。” 他把相对论取代牛顿力学，看作是时空定义约定的变化。,洛伦兹变换：相对于绝对空间的变换,如果要求质点力学定律相对于洛伦兹变换也不变，则牛顿动力学方程就非加以修改不可，这就是后来爱因斯坦从一个全新的观念出发完成的工作。 右边的齐次洛伦兹变换要求： 在 时，成为彭加勒变换（1905，1906）：,杨振宁教授 洛伦兹只有近距离眼光，没有远距离眼光 洛伦兹（只重视解释实验与观测结果）局部修改物理理论，不从哲学角度考虑彭加勒只有远距离眼光，没有近距离眼光 彭加勒只从哲学和数学的角度来考查问题, 不从实验和测量的角度考查爱
11、因斯坦具有自由的眼光，既近距离又远距离观察问题 既重视实验和观测，又注重哲学探讨（马赫著作，“奥林匹亚学院”）洛伦兹是技术型的，彭加勒是哲学型的，爱因斯坦是物理型的。,E=mc2,狭义相对论,博士论文,获诺贝尔奖 之作,导致Perrin 获诺贝尔奖,1905,“企图证实地球相对于光媒质运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：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。我们要把这个猜想提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在虚空空
12、间里总是以一确定的速度传播着，这速度与发射体的运动状态无关。由这两条公设，根据静体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而不自相矛盾的动体电动力学。光以太的引用将被证明是多余的，因为按照这里所要阐明的见解，即不需要引进一个具有特殊性质的绝对静止空间，也不需要给发生电磁过程的空虚空间中的每个点规定一个速度矢量 ” 论动体的电动力学,狭义相对论的两个基本假设：1、狭义相对性原理：一切物理定律在所有惯性系均中有效（一切物理定律的方程式在惯性系的变化下保持形式不变）2、光速不变原理：光在真空中总是以一个不变的速度c传播，且与光源的运动无关( c 与光波的频率无关、与传播的方向无关、与发光体的速度和加速度无
13、关、与观察者的惯性运动速度无关） 隐含假设：真空 惯性运动 空间和时间的均匀性和各向同性,假如人追光,第二条原理跟洛伦兹的出发点是一样的，第一条原理就是狭义相对性原理，它取代了洛伦兹的以太假设。爱因斯坦摒弃这一假设，不只是由于以太的不可观测性，主要是由于他早年的物理经验，培植了他的一种直觉观念，即电磁学定律独立于具体的惯性系。 当他年仅十六岁时，就思考过这样的问题：如果一个观察者，以光速追逐一列光，他会看到何种情况呢？对这个问题的回答，似乎是：这列光看起来就像是空间固定振荡的电磁场。但是，不论从实验观察，还是从麦克斯韦理论，似乎都不会得出这一结论。,相对论来自对物理原理的新理解,对这一佯谬的长
14、期斟酌，最后，爱因斯坦确信：一束光，在追逐的观察者看来和相对于地球静止的观察者看来是一样的。于是，在他看来，狭义相对性原理勿庸置疑。现在的问题是：在牛顿时空框架里，光速不变性与狭义相对性原理是互不相容的。 然而，如果把任意两个惯性系之间坐标变换由伽利略变换形式，换成洛伦兹变换形式；同时，对牛顿力学进行改造，使得改造后的动力学定律相对于洛伦兹变换保持不变。那么，这两条原理就相容了。这样，狭义相对性原理就可以表述为：一切物理学定律相对于洛伦兹变换保持不变。,光速不变将导致同时的相对性,按经典理论，在一个参考系中同时发生的两件事，在另一系中仍为同时发生。但按相对论理论，同时具有相对性，即在另一系中可
15、能不同时发生。,机动 目录 上页 下页 返回 结束,牛顿时间坐标 与 爱因斯坦时间坐标 的 差别,牛顿,爱因斯坦,洛伦兹变换:,伽利略变换,动力学, 爱因斯坦（1916）：“狭义相对论与经典力学的分歧，不在于相对性原理，而只在于真空中光速不变的假设。”,牛顿 时空,狭 义 时 空,双程 时 空,普遍 时 空,双程不变 单程可变,单程不变,物理效应相同,物理效应不同,1963,1949 1977,1905,相对论认为 “同时”是相对的 动尺收缩： 空间是相对的 动钟变慢： 时间是相对的 质能关系：E=mc2，这意味着原子裂变或聚变会释放巨大能量。,闵可夫斯基时空,引入闵可夫斯基四维时空的新表述，将时间处理为与三个空间坐标垂直的第四维，四维时空间隔定义为ds2=c2dt2dx2dy2dz2, 这是在各惯性系中不变的量；还出现了其他与四维时空间隔有关的相对论不变量，空间与时间，动量与能量，电场与磁场等形成了有机的统一体，并且推导出物体总能量E与质量m的关系式E=mc2。在彭加勒和爱因斯坦看来，闵氏时空的结构不是先验的，而是与光速不变原理有关的操作约定的结果。 洛伦兹变换=空间转动变换+时间和空间的伪转动 =保持两个时空点之间的时空距离不变 一个光子的世界线的切矢量是一个类光矢量，开平方后得到一对共轭旋量，如同环绕旗杆的旗帜面。,时空结构与因果性,
