概念规律：狭义相对论地建立.pdf

狭义相对论的创立 狭义相对论是关于时间、空间和物质运动的理论，它是20世纪初以 来物理学发展的重大成就之一：它和量子力学一起，构成了现代物理学 以及当代高技术发展的基础。狭义相对论的创立，对人类的时空观、物 质观、运动观、因果观和宇宙观，都有重大影响。 1．绝对时空观的困难 17世纪，牛顿总结了机械运动的三个基本定律和万有引力定律，建 立了经典力学理论体系。全部经典力学的出发点是“惯性”和“惯性运 动”。“惯性运动”是指物体在不受外力时或者“绝对静止”，或者作 “匀速直线运动”。这就对作为物体运动的“舞台”的空间与时间的属 性提出了要求：物体的“绝对静止”是以一个绝对不动的统一空间为其 场所的：而“匀速直线运动”，则要求空间绝对“平直”，时间节奏绝 对“均匀”，而且整个宇宙的空间与时间是“等同”的；同时空间与时 间又是独立存在的，它限制和容纳着物体的运动，而不受物体及其运动 的影响。于是，牛顿在他的《原理》中就引入了绝对空间和绝对时间， 来决定他的动力学生效的参照系： “绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而 在均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着，它又可以名之为‘延续 性’；相对的、表观的和通常的时间是延续性的一种可感觉的、外部的、 通过运动来进行的量度…… “绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相 同的和不动的。相对空间是绝对空间的可动部分或量度。我们的感官通 过绝对空间对其他物体的位置而确定了它，并且通常把它当作不动的空 间看待……” 可以看出，牛顿是把绝对空间以及对于绝对空间作匀速直线运动的 参照系，作为他的运动定律能够成立的参照系。 但是，仔细推敲起来，人们就会发现，这种绝对空间、绝对时间是 与伽利略相对性原理不相容的，因为相对性原理是不承认绝对静止的， 当然也就不存在某种绝对的参照系；另外，既然绝对时间与绝对空间是 “与外界任何事物无关”的，完全封闭的，又怎么能够通过某些过程被 人们测定和认识到呢？这不能不说是牛顿绝对时空观的一种固有矛盾。 2．“以太漂移”的探索 19世纪初以来，随着光的波动说的复兴，作为传播光波的媒盾，以 太又成为物理学所不可或缺的一种“客观实在”。为了解释光和电磁现 象，必须赋予以太一些奇妙的性质。所以在19世纪，人们提出了各种各 样的以太模型，但都无法摆脱以太的神秘色彩。仅仅从参照系的观点看 来，如果光是在以太中的传播过程，相对于静止的以太，光或电磁波的 传播速度必是各向同性的。事实上，在麦克斯韦的电磁学方程组里就出 现一个常数c，它表明电磁波在真空中总是以不变的速度c向各个方向传 播，是各向同性的。但是按照经典的速度合成法则，相对于以太静止和 相对于以太运动的两种参照系，或者更广义地说在不同的惯性系中，光 或电磁波沿不同方向的速度就会出现明显的差别，不会是都等于 c的。 若如此，就应该存在一个特殊的参照系，在这个参照系里，麦克斯韦方 程组才取标准形式，而对于其它参照系，麦克斯韦方程组都不应成立。 这就是说，对于电磁现象的研究，可以定义一个最优惯性系，即相对于 以太静止的参照系。人们认为，这实际上就是牛顿的“绝对空间”，而 且利用在静止以太中以恒定速度传播的光信号，又可以确定出在宇宙中 一切地点都同步的“绝对时间”。这样，充满整个宇宙的绝对静止的以 太，就成了牛顿绝对时空观的物质框架。因而通过“以太漂移”的实验 探索以太的存在状态，就成了非常重要的问题 到19世纪后期；人们认识到关于以太风是否存在的问题，必须在测 2 定出与（v/c） 成比例的二阶效应的情况下才能作出判定。但当时可利 用的最大速率就是地球的周年绕日轨道速率，即 30千米／秒：它只为光 -4 2 -3 速的10，所以（v／c） 的二阶效应的数量级就是10。 1881年，美国青年物理学家迈克耳孙（A. A. Michelson, 1852— 1931）用他发明的干涉仪，进行了以太漂移的第一次观测。实验的原理 是这样的：如果地球穿行于静止以太中，按照经典速度合成法则，在地 球上沿不同方向发射的光对于地球将有不同的速度。将这些光叠加起来， 就会产生干涉条纹；改变光的方向，干涉条纹也将移动。按照当时迈克 耳孙的计算，在将干涉仪整个转过90°，使它的两臂先后交替地平行和 垂直于地球运动的方向时，预期