淺議相對論的建立與貢獻

堯莉

【摘 要】狹義相對論是愛因斯坦偉大的一生中取得的最有劃時代意義的重大成果，是他在前人的基礎(chǔ)上經(jīng)過長期的醞釀和探索才取得的。它是對牛頓時空觀的一種徹底性的革命，從光速不變原理和相對性原理出發(fā)，重新建立的一種嶄新的，具有革命性的相對論時空觀。

【關(guān)鍵詞】愛因斯坦；相對論；建立；貢獻

狹義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的重要基石。它的建立是20世紀自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)這一，對物理學(xué)、天文學(xué)乃至哲學(xué)思想都有深遠的影響和意義。相對論是科學(xué)技術(shù)發(fā)展到一定階段的必然產(chǎn)物，是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學(xué)各有關(guān)分支又一次綜合的結(jié)果。

一、狹義相對論的建立背景

（一）慣性參考系和伽利略變換

在17世紀初期，伽利略對物體的運動狀態(tài)進行了長期的觀測，提出了慣性定律，并且將參考系分為了慣性參考系和非慣性參考系兩類。凡是相對于某一貫性參考系作勻速直線運動的參考系也是慣性參考系， 利用伽利略變換還可以進行不同慣性系之間的坐標變換，并且在變換中時間與空間之間不發(fā)生關(guān)系，各個慣性系的時間是一樣的，并且在變換中長度也是不變的。然而，這種絕對的時空觀是否正確還沒有被別人懷疑過。

（二）牛頓運動定律和力學(xué)相對性原理

在伽利略之后，牛頓建立的牛頓三定律和萬有引力定律奠定了經(jīng)典力學(xué)的基礎(chǔ)，并且在慣性系中建立的力學(xué)定律都是相同的，稱為力學(xué)的相對性原理。所以，研究力學(xué)問題可以選擇任何的慣性系。如果有必要，也可以通過伽利略變換將一個慣性系得到的結(jié)果變換為另一個慣性系的結(jié)果。

（三）由電磁理論產(chǎn)生的問題

描述宏觀電磁規(guī)律的麥克斯韋方程組不具有伽利略變換不變性，即在這種變換下，不同的慣性系中的方程組的形式是不同的，現(xiàn)在的問題是，在不同的慣性系中，電磁運動究竟是否相同？如果不同，則必然導(dǎo)致各慣性系不等價，從而應(yīng)存在一個特殊慣性系的結(jié)論。如果相同，則經(jīng)過坐標變換后方程組的形式應(yīng)該保持不變。這只有兩種可能：如果認為伽利略變換是正確的，則麥克斯韋方程組必須予以修正?；蛘叻催^來麥克斯韋方程組是正確的，則伽利略變換必須予以修正。由此所引發(fā)的一系列的問題，尋求這些問題的答案導(dǎo)致相對論的建立。

（四）哲學(xué)的思考

關(guān)于愛因斯坦創(chuàng)建狹義相對論的過程，最令人關(guān)注的是他的思路。長期以來許多教科書，通俗讀物和名人演說往往把邁克耳孫和莫雷實驗直接與愛因斯坦創(chuàng)建狹義相對論聯(lián)系在一起，過分地擴大了這一實驗所起的作用。愛因斯坦曾經(jīng)說過“直接引導(dǎo)我提出狹義相對論的，是由于我深信：物體在磁場中運動所產(chǎn)生的電動力，不過是一種電場罷了。但是我也受到斐索實驗結(jié)果以及光行差現(xiàn)象的指引。”1902年前后，愛因斯坦和幾個年輕朋友組成“奧林比亞科學(xué)院”每晚聚在一起，研讀斯賓諾莎、休謨、彭加勒等人的科學(xué)和哲學(xué)著作。斯賓諾莎關(guān)于自然界統(tǒng)一的思想，休謨的時空觀，馬赫對牛頓絕對時空觀的批判都引起愛因斯坦極大的興趣。

1905年，26歲的愛因斯坦另辟蹊徑，他不固守絕對時空觀和經(jīng)典力學(xué)概念，而是在對實驗結(jié)果和前人工作仔細分析的基礎(chǔ)上，從新的一個角度來考慮所有問題，首先他認為自然界是對稱的，包括電磁現(xiàn)象在內(nèi)的一切物理現(xiàn)象和力學(xué)現(xiàn)象一樣，都應(yīng)滿足相對性原理，即在所有慣性系中物理定律及其數(shù)學(xué)表達形式都是相同的。

二、狹義相對論的建立過程

1900年，愛因斯坦從蘇黎世聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)畢業(yè)，但畢業(yè)即失業(yè)，兩年后才在伯爾尼瑞士專利局找到技術(shù)員的工作。謀生的困難并沒有阻擋他對科學(xué)的探討。愛因斯坦曾回憶“是我在伯爾尼的朋友貝索偶然間幫我擺脫了困境。那是一個晴朗的日子，我?guī)е@個問題訪問了他，我們討論這個問題每一個細節(jié)。忽然我領(lǐng)悟到了這個問題的癥結(jié)所在，這個問題的答案來自對時間概念的分析，不可能絕對地確定時間，在時間和信號速度之間有著不可分割的聯(lián)系。利用這一新概念，我第一次徹底解決了這個難題”。于是他一直堅持拋棄當時物理學(xué)家門捷列堅守的伽利略變換，尋找新的與相對性原理和麥克斯韋電磁理論協(xié)調(diào)一致的時空變換，做出了兩個假設(shè)，即物理定律在一切慣性系中都有相同形式和光在真空中的傳播速度C是一個普遍適用的恒量，由此他得到了洛侖茲變換，并引入時間的坐標，推導(dǎo)出了相對論的時空屬性，即運動的尺子縮短和運動時鐘變慢，還得到了在任何慣性系中運動的速度都是以光速為極限的，和物質(zhì)的質(zhì)量是隨著運動而變化的結(jié)論，由此建立了狹義相對論，擺脫了牛頓絕對時空觀帶來的束縛，并且當物體在低速運動時，洛倫茲變換就等同于伽利略變換，相對力學(xué)又回到了牛頓力學(xué)，因此相對力學(xué)是一種更加廣泛和深刻的理論。

三、狹義相對論本質(zhì)和貢獻

狹義相對的出現(xiàn)否定了經(jīng)典力學(xué)的時空觀，建立了相對論的時空觀，主要內(nèi)容有：（1）時間并非是絕對不變的，而是具有相對性，時間間隔的度量也是與參照系的運動狀態(tài)有關(guān)。（2）空間也并非絕對不變，也是具有相對性的，空間間隔的度量也是與參照系的運動有關(guān)。（3）時間和空間是密切聯(lián)系的。孤立的時間和空間是不存在的。洛倫茲變換就是對相對論時空觀的具體體現(xiàn)。

你可以看出，激勵愛因斯坦的不是字面上的邏輯，而是對美的感覺。他在他的工作中總是在尋求美。他同樣也受到一種深刻的宗教感的激發(fā)，在發(fā)現(xiàn)宇宙中奇妙而簡單的定律的過程中就充滿了這種宗教感。這對他的確是一次宗教經(jīng)驗最深刻的那一種，雖然他并不信奉一個擬人化的上帝。

1905年是愛因斯坦黃金年，那一年他還提出質(zhì)能關(guān)系式，在理論上為原子能時代開辟了道路。他之所以能取得這樣偉大的科學(xué)成就，歸因于他的勤奮、刻苦的工作態(tài)度與求實、嚴謹?shù)目茖W(xué)作風(fēng)。還有對一切傳統(tǒng)和現(xiàn)成的知識所采取的獨立的批判精神。他不迷信權(quán)威，敢于離經(jīng)叛道，敢于創(chuàng)新。除了他的非凡的科學(xué)理論貢獻之外，他的偉大革新家的革命精神也是他對人類提供的寶貴遺產(chǎn)。

【參考文獻】

[1]郭奕玲、沈慧君.物理學(xué)史（第二版），清華大學(xué)出版社， 2005年8月第2版.

[2]馬文蔚、物理學(xué)（第五版），高等教育出版社，2006年4月第5版.