狭义相对论的成就与困难

2017-09-08作者:赵峥编辑:茹鑫

1905年,爱因斯坦在“相对性原理”和“光速不变原理”的基础上导出“洛伦兹变换”,建立起相对论(即今天所说的狭义相对论)的大厦。他给出了惯性系中“动尺缩短”、“动钟变慢”、“质能关系E=mc2”、“双生子佯谬”等重要而新奇的结论。相对论突破了牛顿理论的框架,展现出全新的物理体系和全新的时空观。


爱因斯坦指出,自己的相对论与牛顿的经典物理学的关键差别不在“相对性原理”,而在“光速不变原理”。因为伽利略早就正确地阐述了相对性原理,牛顿在自己的力学中也应用了这一原理。只是洛伦兹等人为了解释迈克耳孙实验,对相对性原理产生了怀疑,把水搞得有点浑。爱因斯坦说,我本人只是坚持了这一原理,并无特别的创新。


爱因斯坦认为,自己最大的突破是认识到光速是绝对的,真空中的光速不仅在同一惯性系中是均匀各向同性的,而且与观测者相对于光源的运动速度无关。


上句话的前一半说“光速在同一惯性系中均匀各向同性”,这是一个“约定”,即“规定”。只有做了这一“约定”,才可以校准不同地点的钟,从而可以在全空间定义统一的时间(这一点我们将在第九章作详细讨论)。应该说,这一约定是建立相对论的前提。


“光速不变原理”则是指上句话的后一半,“光速与观测者相对于光源的运动速度无关”。这一原理的意思是,相对于光源静止的观测者,迎着光束以速度v1相对于光源运动的观测者,以及顺着光的前进方向,以速度v2远离光源的观测者,测到的真空中的光速都是同一个c值。这确实是让人难以理解的。


而且,承认“光速不变原理”,就意味着必须承认“同时”这个观念不再是绝对的,而成了相对的。这就是说,在高速行驶的火车上,车上的人认为车头与车尾“同时”发生的两件事,在静止于地面上的观测者看来,不再是同时发生的。当然,由于火车速度不够高,在日常生活中这一效应看不出来,但是如果火车速度接近光速,这一效应将十分明显。


理解“光速的绝对性”,及其导致的“同时的相对性”,是十分困难的,这个难题曾经困扰了爱因斯坦很长时间,大约在一年以上。他一想通这点,所有的问题就迎刃而解了,“动钟变慢”、“动尺收缩”等相对论效应就都自然得出了。


洛伦兹与庞加莱都曾十分接近相对论的发现,但他们都没有认识到“光速不变原理”,没有谈论过、也根本没有想到过“同时”这个概念会是相对的,从而与相对论的发现失之交臂。



洛伦兹与庞加莱为相对论的发现做了许多奠基性的准备,但他们都因为没有认识到“光速不变原理”,而没能跨入相对论的大门。所以爱因斯坦是相对论的唯一创建人。


正当全世界为相对论的成功而欢欣鼓舞时,爱因斯坦本人却冷静地看到了自己的理论存在严重缺陷。


首先,作为“相对论”基础的惯性系,现在无法定义了。牛顿认为,存在绝对空间,所有相对于绝对空间静止和作匀速直线运动的参考系都是惯性系。爱因斯坦的相对论认为不存在绝对空间,牛顿定义惯性系的方法显然不适用了。


有人建议,把惯性系定义为,不受力的物体在其中保持静止或匀速直线运动状态的参考系,也即把牛顿第一定律(即惯性定律)视作惯性系的定义。


但是,什么叫不受力呢?有人以为,一个物体不与其他的物体接触,就肯定不受力。这种想法不对,因为自然界中还存在看不见摸不着的各种场,例如,引力场、电磁场等,它们都可能对物体“施力”。


也许有人会说,如果物体在惯性系中,保持静止或匀速直线运动的状态,就可以定义为“不受力”。读者一下就会看出,这里存在逻辑上的循环。定义“惯性系”要用到“不受力”。定义“不受力”,又要用到“惯性系”。这样的定义方式,在物理学中是不可接受的。


爱因斯坦注意到的另一个缺陷是,万有引力定律写不成相对论的形式。有几年,爱因斯坦致力于把万有引力定律纳入相对论的框架,几经失败后,他终于认识到,相对论容纳不了万有引力定律。


这两个缺陷非常严重。他的相对论是研究惯性系之间的关系的,也就是说,相对论是建立在惯性系的基础上的。现在,这个“基础”居然无法定义!另一方面,当时已知的力只有电磁力和万有引力两种,竟然其中的一种就放不进相对论的框架中,真是太令人遗憾了!


内容来源:书问

作者赵峥
出版清华大学出版社
定价35元
书籍比价

分享到

扫描二维码 ×

电子纸书

兴趣与毅力成就梦想——英语如何改变我的人生

刘荣跃
清华大学出版社[2017] ¥19

幸福家庭成就优秀孩子

牛琳
清华大学出版社[2017] ¥27

成就伟大公司

《清华管理评论》
清华大学出版社[2017] ¥23

加洛林时代史学成就研究

朱君杙
辽宁人民出版社[2015] ¥11

好爸妈成就好孩子

刘萌
清华大学出版社[2014] ¥10

一分钟表达成就你

正扬
清华大学出版社[2013] ¥23

挚爱成就梦想(批注版)

江恩、田继鸣、李霁
清华大学出版社[2011] ¥14

出版业领先的TMT平台

使用社交账号直接登陆

Copyright © 2019 BookAsk 书问   |   京ICP证160134号


注册书问

一键登录

Copyright © 2019 BookAsk 书问   |   京ICP证160134号