浅谈狭义相对论

摘 要： 狭义相对论是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。爱因斯坦从光速不变原理出发，重新看待人们头脑中根深蒂固的伽利略变换所蕴含的绝对时空观，建立了崭新的相对论的时空观。

关键词： 爱因斯坦 狭义相对论 时空观

一、历史背景

1865年以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所证实，但麦克斯韦方程狭义相对论基本原理组在经典力学的伽利略变换下不具有协变性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。究竟是麦克斯韦方程不满足相对性原理，还是应当对麦克斯韦方程引入另一种变换？

早在电动力学麦克斯韦方程建立之日，人们就发现它没有涉及参照系问题。人们利用经典力学的时空理论讨论电动力学方程，发现在伽利略变换下麦克斯韦方程及其导出的方程（如亥姆霍兹，达朗贝尔等方程）在不同惯性系下形式不同，这一现象应当怎样解释？经过几十年的探索，在1905年终于由爱因斯坦创建了狭义相对论。

二、狭义相对论的基本假设

1905年爱因斯坦提出的狭义相对论建立在下面两条基本假设的基础上。

1.光速不变原理：在所有相对于光源静止或做匀速直线运动的惯性系中观察，真空中的光速都相同。换句话说，真空中的光速C是对任何惯性参考系都使用的普适常数。

2.狭义的相对性原理：对于描述一切物理过程（包括物理位置变动、电磁及原子过程）的规律，所有惯性系都是等价的。这里的物理过程包括光现象在内。爱因斯坦的狭义相对性原理是伽利略力学相对性原理的推广。

其中第一条假设，使我们看到一幅与传统观念截然不同的物理图像。设想从一点光源发出一光脉冲，如从光源在其中保持静止的参考系中观察，波前为以光源为中心的球面；如从相对于光源做匀速直线运动的另一参考系观察，波前将同样是以光源为中心的球面。这预示与伽利略变换不同的时空观。第二条假设将对称性推广于全部基础物理学。

三、狭义相对论诞生和发展过程

相对论是一个时空理论，要理解狭义相对论时空理论先要了解经典时空理论的内容。爱因斯坦于1922年12月4日，在日本京都大学作题为《我是怎样创立相对论的？》的演讲中，说明了他关于相对论想法的产生和发展过程。他说：“关于我是怎样建立相对论概念这个问题，不太好讲。我的思想曾受到那么多神秘而复杂的事物的启发，每种思想的影响，在生活幸福论概念的发展过程中的不同阶段都不一样......我第一次产生发展相对论的念头是在17年前，我说不准这个想法来自何处，但是我肯定，它包含在运动物体光学性质问题中，光通过以太海洋传播，地球在以太中运动，换句话说，即以太对地球运动。我试图在物理文献中寻找以太流动的明显的实验证据，但是没有成功。随后，我想亲自证明以太相对地球的运动，或者说证明地球的运动。当我首次想到这个问题的时候，我不怀疑以太的存在或者地球通过以太的运动。”于是，他设想了一个使用两个热电偶进行的实验：设置一些反光镜，以使从单个光源发出的光在两个不同的方向被反射，一束光平行于地球的运动方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在两个反射光束间的能量差，就能用两个热电偶测出产生的热量差。虽然这个实验的想法与迈克尔逊实验非常相似，但是他没有得出结果。

爱因斯坦有机会读了洛伦兹在1895年发表的论文，他讨论并完满解决了u/c的高次项（u为运动物体的速度，c为光速）。然后爱因斯坦试图假定洛伦兹电子方程在真空参照系中有效，也应该在运动物体的参照系中有效，去讲座菲索实验。在那时，爱因斯坦坚信，麦克斯韦-洛伦兹的电动力学方程是正确的。进而这些议程在运动物体参照系中有效的假设导致了光速不变的概念。然而这与经典力学中速度相加原理相违背。

为什么这两个概念互相矛盾？爱因斯坦为了解释它，花了差不多一年的时间试图修改洛伦兹理论。一个偶然的机会。他在一个朋友的帮助下解决了这一问题。爱因斯坦去问他并交谈讨论了这个困难问题的各个方面，突然爱因斯坦找到了解决所有的困难的办法。他说：“我在五周时间里完成了狭义相对论原理。”

爱因斯坦的理论否定了以太概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊形式，并对空间、时间的概念进行了深刻的分析，从而建立了新的时空关系。他于1905年完成的论文被世界公认为第一篇关于相对论的论文，他则是第一位真正的相对论物理学家。

四、狭义相对论的反对者

长期以来，狭义相对论专家总是让公众无法理解狭义相对论，而公众却不得不把它奉为伟大真理，这是对公众智慧的藐视和亵渎。狭义相对论已成当代科学发展的障碍。从对微观世界认知的困惑到宇宙学的混乱，一大祸根便是狭义相对论。

狭义相对论及其包含的相对主义实证论的负面影响已渗透到了社会生活的方方面面。当前社会上封建迷信活动和伪科学如此猖獗，与狭义相对论关系紧密。时下盛行的一些歪理邪说大多源于狭义相对论及其衍生品，如“第4度空间”、“时间隧道”，“宇宙大爆炸”、“黑洞”等一类伪学说。例如霍金说他可以和牛顿和爱因斯坦同桌打牌、科幻电影中漂亮女孩通过时间隧道与历史上的皇帝谈情说爱等，都是鬼神论的代表。说狭义相对论是它们的理论靠山并不为过。毋庸置疑，狭义相对论是当代科学，特别是基础理论发展的严重障碍。

维护与反对狭义相对论的斗争，不仅是学术上的争论，是科学史上的一次拨乱反正，还是一场唯心主义与唯物主义的斗争。

综上所述，狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用，并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，取得了丰硕的成果。然而在成功的背后，却有两个遗留下的原则性问题没有得到解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后，惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律的实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而“不受外力”是什么意思？只能说，不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系，但宇宙中却不存在真正的惯性系，整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连，必须修正，但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了，万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力，其中一种就冒出来捣乱，情况当然不会令人满意。

相对论入门中的例子，更为可信的结论是：相对论主要结果是光速观测结果，不等于物理本质，因此它并不是错误的，也是可以通过实验证实的，但它不能准确描述物理本质，是有待完善的理论，爱因斯坦只是列错了算式；波粒二象性是波传递必须依靠的介质中的粒子表现出来的，因此光也是普通的波，与其他波没有本质区别。按照修正后的相对论，与所有其他体系兼容，且不存在悖论，有关相对论的争议，完全可以平息。

参考文献：

[1]周世勋.量子力学教程.高等教育出版社，2002.03.

[2]漆安慎.普通物理学.高等教育出版社，2000.01.

[3]邵长泰.物理（基础版）高等教育出版社，2002.09.

推荐访问:狭义相对论 浅谈