狹義相對論(Special Relativity)是主要由愛(ài)因斯坦創(chuàng )立的時(shí)空理論，是對牛頓時(shí)空觀(guān)的改造。
伽利略變換與電磁學(xué)理論的不自洽
到19世紀末，以麥克斯韋方程組為核心的經(jīng)典電磁理論的正確性已被大量實(shí)驗所證實(shí)，但麥克斯韋方程組在經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換下不具有協(xié)變性。而經(jīng)典力學(xué)中的相對性原理則要求一切物理規律在伽利略變換下都具有協(xié)變性。
邁克爾孫尋找以太的實(shí)驗
為解決這一矛盾，物理學(xué)家提出了“以太假說(shuō)”，即放棄相對性原理，認為麥克斯韋方程組只對一個(gè)絕對參考系（以太）成立。根據這一假說(shuō)，由麥克斯韋方程組計算得到的真空光速是相對于絕對參考系（以太）的速度；在相對于“以太”運動(dòng)的參考系中，光速具有不同的數值。
實(shí)驗的結果——零結果
但斐索實(shí)驗和邁克耳遜－莫雷實(shí)驗表明光速與參考系的運動(dòng)無(wú)關(guān)。
洛侖茲坐標變換
洛侖茲變換是描述狹義相對論空間中各參考系間關(guān)系的變換。它最早由洛侖茲從以太說(shuō)推出，用以解決經(jīng)典力學(xué)與經(jīng)典電磁學(xué)間的矛盾（即邁克爾孫-莫雷實(shí)驗的零結果）。后被愛(ài)因斯坦用于狹義相對論。
1632年，伽利略出版了他的名著(zhù)《關(guān)于托勒密和哥白尼兩大世界體系的對話(huà)》。書(shū)中那位地動(dòng)派的“薩爾維阿蒂”對上述問(wèn)題給了一個(gè)徹底的回答。他說(shuō)：“把你和一些朋友關(guān)在一條大船甲板下的主艙里，讓你們帶著(zhù)幾只蒼蠅、蝴蝶和其他小飛蟲(chóng)，艙內放一只大水碗，其中有幾條魚(yú)。然后，掛上一個(gè)水瓶，讓水一滴一滴地滴到下面的一個(gè)寬口罐里。船魚(yú)向各個(gè)方向隨便游動(dòng)，水滴滴進(jìn)下面的罐口，你把任何東西扔給你的朋友時(shí)，只要距離相等，向這一方向不必比另一方向用更多的力。你雙腳齊跳，無(wú)論向哪個(gè)方向跳 過(guò)的距離都相等。當你仔細地觀(guān)察這些事情之后，再使船以任何速度前進(jìn)，只要運動(dòng)是勻速，也不忽左忽右地擺動(dòng)，你將發(fā)現，所有上述現象絲毫沒(méi)有變化。你也無(wú)法從其中任何一個(gè)現象來(lái)確定，船是在運動(dòng)還是停著(zhù)不動(dòng)。即使船運動(dòng)得相當快，你跳向船尾也不會(huì )比跳向船頭來(lái)得遠。雖然你跳到空中時(shí)，腳下的船底板向著(zhù)你跳的相反方向移動(dòng)。你把不論什么東西扔給你的同伴時(shí)，不論他是在船頭還是在船尾，只要你自己站在對面，你也并不需要用更多的力。水滴將象先前一樣，滴進(jìn)下面的罐子，一滴也不會(huì )滴向船尾。雖然水滴在空中時(shí)，船已行駛了許多柞(為大指尖到小指尖伸開(kāi)之長(cháng)，通常為九英寸，是古代的一種長(cháng)度單位)。魚(yú)在水中游向水碗前部所用的力并不比游向水碗后部來(lái)得大；它們一樣悠閑地游向放在水碗邊緣任何地方的食餌。最后，蝴蝶和蒼蠅繼續隨便地到處飛行，它們也決不會(huì )向船尾集中，并不因為它們可能長(cháng)時(shí)間留在空中，脫離開(kāi)了船的運動(dòng)，為趕上船的運動(dòng)而顯出累的樣子?！?
薩爾維阿蒂的大船道出一條極為重要的真理，即：從船中發(fā)生的任何一種現象，你是無(wú)法判斷船究竟是在運動(dòng)還是停著(zhù)不動(dòng)?，F在稱(chēng)這個(gè)論斷為伽利略相對性原理。
用現代的語(yǔ)言來(lái)說(shuō)，薩爾維阿蒂的大船就是一種所謂慣性參考系。就是說(shuō)，以不同的勻速運動(dòng)著(zhù)而又不忽左忽右擺動(dòng)的船都是慣性參考系。在一個(gè)慣性系中能看到的種種現象，在另一個(gè)慣性參考系中必定也能無(wú)任何差別地看到。亦即，所有慣性參考系都是平權的、等價(jià)的。我們不可能判斷哪個(gè)慣性參考系是處于絕對靜止狀態(tài)，哪一個(gè)又是絕對運動(dòng)的。
伽利略相對性原理不僅從根本上否定了地靜派對地動(dòng)說(shuō)的非難，而且也否定了絕對空間觀(guān)念（至少在慣性運動(dòng)范圍內）。所以，在從經(jīng)典力學(xué)到相對論的過(guò)渡中，許多經(jīng)典力學(xué)的觀(guān)念都要加以改變，唯獨伽利略相對性原理卻不僅不需要加以任何修正，而且成了狹義相對論的兩條基本原理之一。
狹義相對論的兩條原理 1905年，愛(ài)因斯坦發(fā)表了狹義相對論的奠基性論文《論運動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》。關(guān)于狹義相對論的基本原理，他寫(xiě)道： “下面的考慮是以相對性原理和光速不變原理為依據的，這兩條原理我們規定如下：
1．物理體系的狀態(tài)據以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時(shí)所參照的坐標系究竟是用兩個(gè)在互相勻速移動(dòng)著(zhù)的坐標系中的哪一個(gè)并無(wú)關(guān)系。
2．任何光線(xiàn)在“靜止的”坐標系中都是以確定的速度c運動(dòng)著(zhù)，不管這道光線(xiàn)是由靜止的還是運動(dòng)的物體發(fā)射出來(lái)的?！?
其中第一條就是性原理，第二條是光速不變性。整個(gè)狹義相對論就建筑在這兩條基本原理上。
愛(ài)因斯坦的哲學(xué)觀(guān)念是,自然界應當是和諧而簡(jiǎn)單的。的確，他的理論常有一種引人注目的特色：出于簡(jiǎn)單而歸于深奧。狹義相對論就是具有這種特色的一個(gè)體系。狹義相對論的兩條基本原理似乎是并不難接受的“簡(jiǎn)單事實(shí)”，然而它們的推論卻根本地改變了牛頓以來(lái)物理學(xué)的根基。
后面我們將開(kāi)始這種推論。
愛(ài)因斯坦狹義相對論
相對論是20世紀物理學(xué)史上最重大的成就之一，它包括狹義相對論和廣義相對論兩個(gè)部分，狹義相對論變革了從牛頓以來(lái)形成的時(shí)空概念，提示了時(shí)間與空間的統一性和相對性，建立了新的時(shí)空觀(guān)。廣義相對論把相對原理推廣到非慣性參照系和彎曲空間，從而建立了新的引力理論。在相對論的建立過(guò)程中，愛(ài)因斯坦起了主要的作用。
愛(ài)因斯坦是美籍德國物理學(xué)家。1914年任德國威廉皇帝物理研究所所長(cháng)和普魯士科學(xué)院院士，1933年因遭納粹政權迫害遷往美國，任普林斯頓高等研究院主任。1905睥，在他26歲時(shí)，法文科學(xué)雜志《物理年鑒》刊登了他的一篇論文《論運動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》，這篇論文是關(guān)于相對論的第一篇論文，它相當全面地論述了狹義相對論，解決了從19世紀中期開(kāi)始，許多物理學(xué)家都未能解決的有關(guān)電動(dòng)力學(xué)以及力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)結合的問(wèn)題。
提起狹義相對論，很多人馬上就想到鐘表慢走和尺子縮短現象。許多科學(xué)幻想作品用它作題材，描寫(xiě)一個(gè)人坐火箭遨游太空回來(lái)以后，發(fā)現自己還很年輕，而孫子已經(jīng)變成了老頭。其實(shí)，鐘表慢走和尺子縮短只是狹義相對論的幾個(gè)結論之一，它是指物體高速運動(dòng)的時(shí)候，運動(dòng)物體上的時(shí)鐘變慢了，尺子變短了。鐘表慢走和尺子縮短現象就是時(shí)間和空間隨物質(zhì)運動(dòng)而變化的結果。狹義相對論還有一個(gè)質(zhì)量隨運動(dòng)速度而增加的結論。實(shí)驗中發(fā)現，高速運動(dòng)的電子的質(zhì)量比靜止的電子的質(zhì)量大。
狹義相對論最重要的結論是使質(zhì)量守恒失去了獨立性。它和能量守恒原理融合在一起，質(zhì)量和能量可以互相轉化。如果物質(zhì)質(zhì)量是M，光速是C，它所含有的能量是E，那么E=MC 2。這個(gè)公式只說(shuō)明質(zhì)量是M的物體所蘊藏的全部能量，并不等于都可以釋放出來(lái)，在核反應中消失的質(zhì)量就按這個(gè)公式轉化成能量釋放出來(lái)。按這個(gè)公式，1克質(zhì)量相當于9＊10 3焦耳的能量。這個(gè)質(zhì)能轉化和守恒原理就是利用原子能的理論基礎。
大狹義相對論中，雖然出現了用牛頓力學(xué)觀(guān)點(diǎn)完全不能理解的結論：空間和時(shí)間隨物質(zhì)運動(dòng)而變化，質(zhì)量隨運動(dòng)而變化，質(zhì)量和能量的相互轉化，但是狹義相對論并不是完全和牛頓力學(xué)割裂的，當運動(dòng)速度遠低于光速的時(shí)候，狹義相對論的結論和牛頓力學(xué)就不會(huì )有什么區別。
幾十年來(lái)的歷史發(fā)展證明，狹義相對論大大推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)程，成為現代物理學(xué)的基本理論之一。
愛(ài)因斯坦于1922年12月有4日，在日本京都大學(xué)作的題為《我是怎樣創(chuàng )立相對論的？》的演講中，說(shuō)明了他關(guān)于相對論想法的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程。他說(shuō)：“關(guān)于我是怎樣建立相對論概念這個(gè)問(wèn)題，不太好講。我的思想曾受到那么多神秘而復雜的事物的啟發(fā)，每種思想的影響，在生活幸福論概念的發(fā)展過(guò)程中的不同階段都不一樣……我第次產(chǎn)生發(fā)展相對論的念頭是在17年前，我說(shuō)不準這個(gè)想法來(lái)自何處，但是我肯定，它包含在運動(dòng)物體光學(xué)性質(zhì)問(wèn)題中，光通過(guò)以大海洋傳播，地球在以太中運動(dòng)，換句話(huà)說(shuō)，即以太陽(yáng)對地球運動(dòng)。我試圖在物理文獻中尋找以太流動(dòng)的明顯的實(shí)驗證據，藍天是沒(méi)有成功。隨后，我相親自證明以太相對地球的運動(dòng)，或者說(shuō)證明地球的運動(dòng)。當我首次想到這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，我不懷疑以太的存在或者地球通過(guò)以太的運動(dòng)?！庇谑?，他設想了一個(gè)使用兩個(gè)熱電偶進(jìn)行的實(shí)驗：設置一些反光鏡，以使從單個(gè)光源發(fā)出的光在兩個(gè)不同的方向被反射，一束光平行于地球的運動(dòng)方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在兩個(gè)反射光束間的能量差的話(huà)，就能用兩個(gè)熱電偶測出產(chǎn)生的熱量差。雖然這個(gè)實(shí)驗的想法與邁克爾遜實(shí)驗非常相似，但是他沒(méi)有得出結果。
愛(ài)因斯坦說(shuō)：他最初考慮這個(gè)問(wèn)題時(shí)，正是學(xué)生時(shí)代，當時(shí)他已經(jīng)知道了邁克爾遜實(shí)驗的奇妙結果，他很快就得出結論：如果相信邁克爾遜的零結果，那么關(guān)于地球相對以太運動(dòng)的想法就是錯誤的。他說(shuō)道：“這是引導我走向狹義相對論的第一條途徑。自那以后，我開(kāi)始相信，雖然地球圍繞太陽(yáng)轉動(dòng)，但是，地球運動(dòng)不可能通過(guò)任何光學(xué)實(shí)驗探測太陽(yáng)轉動(dòng)，但是，地球的運動(dòng)不可能通過(guò)任何光學(xué)實(shí)驗探測出來(lái)?！?
愛(ài)因斯坦有機會(huì )讀了洛倫茲在1895年發(fā)表的論文，他討論并完滿(mǎn)解決了u/c的高次項（u為運動(dòng)物體的速度，c為光速）。然后愛(ài)因斯坦試圖假定洛倫茲電子方程在真空參照系中有效，也應該在運動(dòng)物體的參照系中有效，去講座菲索實(shí)驗。在那時(shí)，愛(ài)因斯坦堅信，麥克斯韋－洛倫茲的電動(dòng)力學(xué)方程是正確的。進(jìn)而這些議程在運動(dòng)物體參照系中有效的假設導致了光速不變的概念。然而這與經(jīng)典和學(xué)中速度相加原理相違背。
為什么這兩個(gè)概念互相矛盾。愛(ài)因斯坦為了解釋它，花了差不多一年的時(shí)間試圖去修改洛倫茲理論。一個(gè)偶然的機會(huì )。他在一個(gè)朋友的幫助下解決了這一問(wèn)題。愛(ài)因斯坦去問(wèn)他并交談?dòng)懻摿诉@個(gè)困難問(wèn)題的各個(gè)方面，突然愛(ài)因斯坦找到了解決所有的困難的辦法。他說(shuō)：“我在五周時(shí)間里完成了狹義相對論原理?！?
愛(ài)因斯坦的理論否定了以太概念，肯定了電磁場(chǎng)是一種獨立的、物質(zhì)存在的特殊形式，并對空間、時(shí)間的概念進(jìn)行了深刻的分析，從而建立了新的時(shí)空關(guān)系。他1905年的論文被世界公認為第一篇關(guān)于相對論的論文，他則是第一位真正的相對論物理學(xué)家。
聯(lián)系客服
