狹義相對論重要推論研究

關(guān)君

（新鄉(xiāng)廣播電視大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003）

狹義相對論重要推論研究

關(guān)君

（新鄉(xiāng)廣播電視大學(xué)繼續(xù)教育學(xué)院，河南新鄉(xiāng)453003）

狹義相對論是相對論理論體系的基礎(chǔ)，是由20世紀(jì)最偉大的物理學(xué)家阿爾伯特·愛因斯坦在1905年提出的，廣義相對論則是在1915年提出的.狹義相對論主要是研究勻速直線運(yùn)動的參照系（慣性參照系）之間的物理定理.筆者從愛因斯坦的理論體系根源和主要特征分析，深刻闡釋狹義相對論的重要推論和他的具體表現(xiàn).

愛因斯坦；狹義相對論；速度；質(zhì)量；物理學(xué)

1 狹義相對論產(chǎn)生的歷史背景

1905年的9月份，一位不出名的物理學(xué)家愛因斯坦在德國的一份叫作《物理學(xué)雜志》上，發(fā)表了一篇跨時(shí)代意義的論文，名字是《論動體的電動力學(xué)》，標(biāo)志著狹義相對論的誕生.它和愛因斯坦在十年后建立的廣義相對論一起，徹底的改變了當(dāng)時(shí)傳統(tǒng)的物理思維方式，進(jìn)入到一個(gè)新的物理世界里.

1.1 伽利略的變換慣性參考系

伽利略在十七世紀(jì)初根據(jù)自己多年對物體運(yùn)動的研究，提出了慣性定律并把參考系劃分為了兩大類，分別是慣性參考和非慣性參考.根據(jù)伽利略的觀察和研究可得出，時(shí)間不和空間發(fā)生任何關(guān)系，各個(gè)慣性系之間有自身共同的時(shí)間，是一種絕對的時(shí)間觀念.和它不同的是，在伽利略在實(shí)驗(yàn)中長度也是有所改變的，不是一成不變的.絕對的時(shí)間和絕對的長度是構(gòu)成絕對時(shí)空的必要條件.之前的物理學(xué)界對這個(gè)理論沒有懷疑但是證明這個(gè)定律還需要大量的實(shí)驗(yàn)去論證.

1.2 牛頓力學(xué)

牛頓是繼伽利略之后的又以為物理學(xué)巨匠，牛頓的貢獻(xiàn)在于總結(jié)了前人的智慧，并提出了自己的定律，建立了現(xiàn)代經(jīng)典物理學(xué)的框架.牛頓力學(xué)是建立在慣性的基礎(chǔ)上，并且在以上的慣性體系里，力學(xué)的規(guī)律都相差無幾，這就是所謂的力學(xué)相對性原理.研究力學(xué)的角度也往往會從慣性出發(fā)，運(yùn)用伽利略變換，把在一個(gè)慣性體系得出的結(jié)果，變換到另一個(gè)慣性體系中得到另一組結(jié)果.

1.3 電磁理論對物理學(xué)的沖擊

等到19世紀(jì)時(shí)，隨著電和磁力的應(yīng)用，物理學(xué)界有了新的領(lǐng)域——電磁理論.這一理論是有法拉第和麥克斯韋提出并建立的，有力的沖擊了由牛頓建立的經(jīng)典力學(xué)的根基.首先是法拉利提出了“場”的概念，然后麥克斯韋在法拉利的基礎(chǔ)上，對他的思想體系進(jìn)行了系統(tǒng)地總結(jié)和完善提出了電磁場規(guī)律，也就是后來我們所熟知的麥克斯韋方程組.麥克斯韋的方程成功推導(dǎo)出了真空中電磁波的速度，這和實(shí)驗(yàn)得到光速C是向一致的，實(shí)驗(yàn)也有力的證實(shí)了這一結(jié)論.根據(jù)電磁理論我們知道真空中的光速等于真空中電磁波的速度且是一常量.可是，假如按照伽利略變換的方法將會面臨這樣的一個(gè)問題：到底是麥克斯韋電磁理論只對某一慣性成立，還是適用于所有慣性？

1.4 邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)

在19世紀(jì)時(shí)期“以太”學(xué)說廣泛的流傳起來，這是一種隨著光的波動理論發(fā)展逐步興起的學(xué)說.由于當(dāng)時(shí)人們普遍對光的性質(zhì)了解的少，因此用機(jī)械波的概念去描述光，假設(shè)有一種能夠傳播光的介質(zhì)，命名為“以太”.當(dāng)下的很多物理學(xué)家對“以太”很執(zhí)著，認(rèn)為它是真實(shí)存在的.科學(xué)家為了去尋找“以太”做了大量的實(shí)驗(yàn)，這其中最著名的是邁克爾孫和莫雷的實(shí)驗(yàn).科學(xué)家們提出假設(shè)，假如“以太”這種物質(zhì)存在的情況下則實(shí)驗(yàn)會出現(xiàn)預(yù)期的現(xiàn)象，結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果和假設(shè)不符，因此得到的結(jié)果是“以太”不存在.

所有的結(jié)論和理念都無法使物理實(shí)驗(yàn)結(jié)果和天文觀察的結(jié)果相一致，說明伽利略的變換體系、牛頓的經(jīng)典力學(xué)以及麥克斯韋電磁理論三者各有優(yōu)缺但相互之間不協(xié)調(diào).

2 狹義相對論的建立和狹義相對論的思想發(fā)展

愛因斯坦創(chuàng)立狹義相對論的成功之處除了他的辛勤研究和工作，還離不開他十分善于提取前人的思想中的精華部分，像馬赫、休謨都是他學(xué)習(xí)和進(jìn)步的目標(biāo).這些人身長除了科學(xué)知識外，最重要的都有一種敢于打破傳統(tǒng)，掙脫傳統(tǒng)束縛的精神，這對他今后從事研究工作起了很重要的作用.因?yàn)槿藗兊乃枷牒苋菀妆慌f有的觀念束縛住，所以很多正確的帶有跨時(shí)代意義的理論，都是在產(chǎn)生很長一段時(shí)間后才普遍被人接受的，可這并不影響愛因斯坦對科學(xué)的探索，反而成了他日后做研究的動力了.

2.1 狹義相對論的建立

和牛頓總結(jié)前人經(jīng)驗(yàn)和思想一樣，愛因斯坦也是在分析了前人的工作才得出了最終的結(jié)論.

愛因斯坦對伽利略的變換理論中的時(shí)間和空間的概念進(jìn)行分析，發(fā)覺伽利略在進(jìn)行變換過程中的牛頓時(shí)空觀是沒有試驗(yàn)根據(jù)的，只是伽利略單純的一個(gè)推測，沒有進(jìn)行數(shù)據(jù)和科學(xué)的分析.19世紀(jì)奧地利著名的物理學(xué)家和哲學(xué)家恩斯特·馬赫說過“凡不能由實(shí)驗(yàn)證實(shí)的概念和陳述,都不應(yīng)在物理學(xué)中占有任何地位”，愛因斯坦基于這樣的理念，果斷的否定了被認(rèn)為是“正確”的伽利略變換，由此遭到了當(dāng)時(shí)很多物理學(xué)家的反對.伽利略變換是推測出的結(jié)果，而麥克斯韋電磁理論卻是經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)得出的，并且該理論和相對性原理保持著一致性，也由此得到了“物理定律在一切慣性系中都取相同形式”和“光在真空中傳播的速度為C”兩個(gè)重要的假設(shè).根據(jù)這兩個(gè)假設(shè)，愛因斯坦又利用洛倫茨理論，將時(shí)間坐標(biāo)系引入到當(dāng)中去，計(jì)算推到出相對論的時(shí)空屬性，也就是運(yùn)動的時(shí)間變短以及運(yùn)動的距離縮短.除此之外他還推出了“任何慣性系中運(yùn)動速度以光速為極限以及物質(zhì)的質(zhì)量隨運(yùn)動變換的”的結(jié)論.最終在1905年建立了我們熟知的狹義相對論.

狹義相對論的出現(xiàn)，使得20世紀(jì)的物理學(xué)有了一個(gè)質(zhì)的飛躍，這個(gè)理論使得人們擺脫了牛頓的經(jīng)典力學(xué)的束縛，進(jìn)入到一個(gè)全新的物理世界里.

2.2 狹義相對論的思想發(fā)展

愛因斯坦之所以提出狹義相對論，很重要的原因是為了解決當(dāng)時(shí)困惑著整個(gè)物理界的“以太之謎”，也就是邁克爾孫-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果.他提出相對論不是像“無知者”那樣，認(rèn)為科學(xué)理念和技術(shù)來自靈感和炫目閃現(xiàn).創(chuàng)新的人更需要經(jīng)過長時(shí)間的醞釀，大量的實(shí)驗(yàn)計(jì)算，反復(fù)嘗試和失敗.愛因斯坦為了相對論也是潛心研究了十年之久，因此狹義相對論有著雄厚的思想基礎(chǔ)，不容易被推翻.

愛因斯坦受物理學(xué)前輩馬赫的影響最深，馬赫曾在自己的物理學(xué)著作《力學(xué)史》中，公開對經(jīng)典物理學(xué)叫板.這樣的勇氣和理念深深的影響了愛因斯坦，他在總結(jié)十九世紀(jì)物理學(xué)狀況時(shí)是曾這樣說的“上一世紀(jì)所有物理學(xué)家都把經(jīng)典力學(xué)看作是全部物理學(xué)的,甚至是全部自然科學(xué)的牢固的和最終的基礎(chǔ),而且他們還孜孜不倦地企圖把這一時(shí)期逐漸取得全面勝利的麥克斯韋電磁場理論也建立在力學(xué)的基礎(chǔ)上”，這也和馬赫當(dāng)年的理念不謀而合了.愛因斯坦受馬赫影響形成了兩個(gè)主要的觀點(diǎn)，分別是：理論不應(yīng)該和經(jīng)驗(yàn)事實(shí)相互矛盾；理論本身應(yīng)該有內(nèi)在的完備性.所有的物理學(xué)問題只要用這兩個(gè)觀點(diǎn)去審視，都會有新的發(fā)現(xiàn).愛因斯坦用這兩個(gè)觀點(diǎn)分析前人建立的物理體系，發(fā)現(xiàn)了漏洞產(chǎn)生了懷疑，這也引導(dǎo)了他今后建立相對論.

愛因斯坦在他還是青年的時(shí)候就顯示出了強(qiáng)大的邏輯思維能力，很早就接觸了牛頓力學(xué)并對洛倫茨定理產(chǎn)生了極大的興趣.隨著研究的深入，他發(fā)現(xiàn)前人的觀點(diǎn)有些部分是十分落后、陳舊的.因此，愛因斯坦提出的狹義相對論并不是一個(gè)偶然事件，他是建立在對舊理論的研究總結(jié)后，分析、概括的結(jié)晶，它和舊的理論有相似之處又不完全相同，有獨(dú)到的見解和新穎的理念.

3 狹義相對論重要推論本質(zhì)

在愛因斯坦的《論動體的電動力學(xué)》這篇文章中對相對論的相對性原理是這樣闡述的：物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的規(guī)律，同這些狀態(tài)的變化時(shí)兩個(gè)彼此做相對勻速移動的坐標(biāo)系中的哪一個(gè)為參考，是無關(guān)的”.筆者將從三個(gè)方面闡述相對論的本質(zhì).

3.1 關(guān)于“相對論性原理”應(yīng)該是一個(gè)還是兩個(gè)的看法

愛因斯坦在1905年提出狹義相對論時(shí)是基于兩點(diǎn)出發(fā)的，第一，相對性原理，第二，光速不變原理.在今后的物理學(xué)界，這兩條原理一直飽受爭議.原因是，第一條是第二條的充分不必要條件，那第二條原理有沒有提出的必要性？事實(shí)上，愛因斯坦的對這個(gè)問題早就想到了.設(shè)兩個(gè)物體在做勻速直線運(yùn)動，他們的參考系分別是S和S’，然后在確定坐標(biāo){x}(x,t)和{x’}(x’,t’)這二者之間的變換關(guān)系，也就是進(jìn)行洛倫茨變換，{x’}(x’,t’)本質(zhì)上其實(shí)是{x’}相對于{x}的定義，或者是二者相反，由此可見，在洛倫茨變換中，常數(shù)C必須在數(shù)值上和物理意義上提前定下來，不然“相對性原理”就失去了意義.

通過計(jì)算和分析，我們可以得到這樣結(jié)論，在當(dāng)下，我們?nèi)绻揭サ簟跋鄬π栽怼敝械娜魏我粭l來規(guī)避“邏輯循環(huán)”的話，并不是武斷的去掉其中之一，而是應(yīng)該尋找新的原理.

3.2 質(zhì)量關(guān)系的含義

狹義相對論中有一個(gè)著名的方程，被譽(yù)為“改變世界的方程”E=Mc2=Ek+mc2.這個(gè)公式的奇妙之處就在于，將各個(gè)靜止的和運(yùn)動的量有機(jī)的結(jié)合起來.M質(zhì)量是靜態(tài)的，C光速的是動態(tài)的，這樣的一組關(guān)系告訴了我們：M的產(chǎn)生機(jī)制和EK這部分的產(chǎn)生機(jī)制不同，是相互“正交”的.另外，經(jīng)分析m和P/C有著相同的起源，也就是他們的微觀本質(zhì)相同.我們可以根據(jù)量子場論，即在一個(gè)慣性體系內(nèi)部，始終是保持了粒子的正反對稱性，在不用洛倫茨公式變換形式的情況下，可以得質(zhì)能關(guān)系E=Mc2=Ek+mc2，這也進(jìn)一步論真出了該公式的對稱性，也是狹義相對論的本質(zhì).

3.3 對CPT定理的理解

在這里，筆者需要指出的是“定理”和“定律”是不同的.定理中的每一個(gè)量都是相互獨(dú)立且存在的.因此C、P、T三個(gè)變量都有自己明確的定義，這才會產(chǎn)生CPT定理，并且該定理也可以通過對場論和相對論的基本原理分析出它的正確性.此外，對于“定律”解釋是，定律不是單純從理論中證明出來的，而是經(jīng)過大量的實(shí)驗(yàn)和歸納證實(shí)的.

任何科學(xué)都有它魅力，物理更是如此.所有的“可觀察量”都依賴著某種不變性或者是動力學(xué)定律，相互聯(lián)系、相互影響.這種聯(lián)系一旦喪失了，這個(gè)物理量就不能稱之為“可觀察量”了.在愛因斯坦的相對論中，“E”該物理量有明確定義是因?yàn)槟芰渴睾愣?在粒子高速運(yùn)動的時(shí)候，粒子的質(zhì)量可以忽略，因此F=ma牛頓經(jīng)典力學(xué)里的公式就不適用了，只能利用能量守恒公式得到，m=1/2*d/dE*P^.

4 結(jié)語

通過上面的論證，我們可以得到，早在1905年的時(shí)候，洛倫茨等當(dāng)時(shí)著名的物理學(xué)家已經(jīng)離狹義相對論十分接近了，可是在傳統(tǒng)的物理學(xué)思想的束縛之下沒能夠擴(kuò)展一片新的理論體系，只是單純的對原有的理論體系進(jìn)行修復(fù)和補(bǔ)充.相比之下不同的是愛因斯坦，在如饑似渴地吸收了親人大量的思想財(cái)富后，通過對經(jīng)典理論體系的質(zhì)疑和挑戰(zhàn)，在當(dāng)時(shí)大家都不相信的情況下創(chuàng)立了狹義相對論.真理都不是一定的，都有前提條件，當(dāng)不適合條件的時(shí)候真理就成了謬論，愛因斯坦的狹義相對論建立在嚴(yán)密的思維邏輯下，雖然現(xiàn)在有的學(xué)者也提出了異議，但該理論也確實(shí)幫助我們打破了傳統(tǒng)，進(jìn)入物理新紀(jì)元.

〔1〕周方.狹義相對論時(shí)空變換——根本改造愛因斯坦狹義相對論.方志出版社，2010.

〔2〕劉遼，費(fèi)?？?，張?jiān)手?狹義相對論.科技出版社，2008.

〔3〕張宗燧.電動力學(xué)及狹義相對論.北京大學(xué)出版社，2004.

〔4〕李醒民.激動人心的年代——世紀(jì)之交物理學(xué)革命的歷史考察和哲學(xué)探討.四川人民出版社，1983.

〔5〕愛因斯坦，洛倫茨，閔可夫斯基，等.相對論原理.北京科學(xué)出版社，1980.

〔6〕張?jiān)?狹義相對論實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).北京科學(xué)出版社，1979.

〔7〕（美）愛因斯坦.狹義與廣義相對論淺說.2006.

〔8〕郭奕玲,沈慧君編.物理學(xué)史.清華大學(xué)出版社，2005.

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1673-260X（2013）07-0012-03