愛因斯坦狹義相對論的時空觀念

白城師范學院 物理系 佟 華

愛因斯坦狹義相對論的時空觀念

白城師范學院 物理系 佟 華

1905年，愛因斯坦發表了《論動體的電動力學》，在這篇論文中他提出了一種新的時空關系理論——狹義相對論，它顛覆了人類古老的時空觀念，改變了整個世界。

一、狹義相對論產生的背景

英國物理學家麥克斯韋創立的電磁學理論表明，光是一種電磁波，并且以不變速度運動。當時牛頓理論已經擺脫了絕對靜止的觀念，如果光是以不變速度傳播，那么人們必須說清楚這一不變的速度是相對哪種參照系來測量的。當時人們認為光波通過無所不在的以太（Ether，占據天體空間的物質）在傳播，固定的光速應該相對于以太而言。那么根據伽利略速度變換，相對于以太運動的不同觀察者，應該看到光以不同的相對速度沖他們而來。當地球穿過以太繞太陽公轉時，在地球上，沿著以太運動的方向測量的光速（當實驗者對光源運動時）應該和運動垂直方向測量的光速（當實驗者不對光源運動時）不同。1887年，邁克爾遜和莫雷進行了精確的實驗，他們將在地球運動方向以及垂直于此方向的光速進行比較，并未發現有任何干涉條紋移動，即他們發現這兩個光速完全一樣，在實驗誤差允許范圍內沒有區別。

1887—1905年，人們試圖解釋麥克爾遜–莫雷實驗的結果，但均未獲得實質上的成功。其后，瑞士專利局一位不知名的職員愛因斯坦，在不知道洛倫茲等人實驗的情況下，在相對性原理和光速不變原理的基礎上獨立導出了洛倫茲變換，并對這個變換作了全新的解釋。愛因斯坦指出，人們應該拋棄絕對時間的觀念，整個以太的觀念是多余的，這就是著名的狹義相對論。

二、對狹義相對論時空觀念的理解和分析

1. 同時的相對性。愛因斯坦認為人們作出的所有與時間有關的判斷總是關于同時事件的判斷。比如，“那列火車7點到達此地”就是說“我的手表的時針指到7點”與“火車的到達是同時事件”。愛因斯坦認為，只有直接把兩個事件并列排在一起，才能明白無誤地解釋同時性。依照絕對時空觀念，宇宙任何地方的時鐘都是同時的。但是仔細思考后就會發現，只有當存在一個在整個宇宙中任何地方都沒有任何延遲的時間信號，而且其傳播速度要大到能同時到達所有的時鐘的情況下，才有可能出現普遍的同時性。實際上，這樣的時鐘信號是不存在的。這是因為以電磁波形式存在的信號也不過是以光速在運動，這個速度在任何參照系中都一樣，而任何信號都不可能比光傳播得更快，更不可能以無限大的速度傳播。所以，同時性應被定義為：如果兩個事物發出的光信號能同時到達位于這兩個事物正中間的觀察者，那么這兩個事物是同時的。但是這個過程對2座彼此相對靜止的時鐘而言是可行的，但對2座相對運動的時鐘而言則還有問題。愛因斯坦用“愛因斯坦火車”的假設解釋了這個問題。假設甲站在鐵路附近，一列火車從甲身邊駛過。當甲處于距離車頭和車尾同等距離的那一刻，在兩處各發生了一次閃電。甲在同一時間看到了2次閃電，也就是說，光到達甲所處的位置用了相同的時間。甲會說：“閃電同時擊中車頭和車尾。” 設想在火車中間站著一個乙，他也正巧看到閃電。而此時乙正和火車一起繼續向前行駛，他與擊中火車頭的閃電光線相對而行，同時與擊中車尾的閃電光線距離拉開。因此，車頭閃電的光先于車尾閃電的光到達乙的位置。乙得出結論：“閃電并非同時擊中，車頭的閃電在前，車尾的閃電在后。”那么究竟誰說得對呢？答案是：兩個人都是正確的。這個例子表明同時性的概念是相對的，它與觀察者的運動狀態有關系。但是在日常低于光速的生活中，就無法發現。

2. 愛因斯坦延緩。通過狹義相對論的洛倫茲坐標變換，可以得到這樣的結論：在運動系統中時間走得比在相對靜止的系統中的時間慢，這種延緩被稱為愛因斯坦延緩，用公式表示為：

式（1）中，t′為觀察者在與其相對運動的慣性系中測得兩事件經歷的時間；t為觀察者在與其相對靜止的慣性系中測得兩事件經歷的時間；v為兩個慣性系之間的相對運動速度；c為光速，大小為3×108m/s。

一直以來，人們認為時間在任何條件下、任何地方都是均勻地流逝著，這種認識非常自然，符合“常理”。而狹義相對論卻指出，時間不存在唯一的標準，每一位觀察者、每個系統都有自己的時間，而且運動速度越快，時間就走得越慢，即時間并不是想當然地在任何條件下、在任何地方都在均勻流逝。

根據愛因斯坦延緩，在一只接近光速快速運動的宇宙飛船上，所有過程都要慢一些，生物過程也不例外。μ介子實驗能夠非常清楚地證明，粒子的壽命可以減緩。μ介子產生于近30 km的高空并以近光速的速度向地球表面飛來。在一個半衰期之后，也就是百萬分之1.5 s后，它們飛出450 m，也就意味著幾乎所有的μ介子在到達地球之前都已衰變，因此在地球上應該找不到μ介子。然而在地球表面卻還能發現它們的存在。這是因為μ介子速度接近于光速，根據愛因斯坦延緩公式，人們在地球上測得其壽命要更長些，所以在它衰變之前，能夠到達地球表面。

愛因斯坦延緩還包含了一個非常重要的知識：光速是物體速度的自然界限。大量的實驗告訴人們，光速壁壘問題還不可能打破。在實驗中，當把粒子加速到光速的99.99%時，不管注入多少功率，都不可能把它們加速到超過光速壁壘。

3. 洛倫茲收縮。通過狹義相對論的洛倫茲坐標變換，可以得知：在運動系統中所有的物體和距離在運動方向上都會短縮，短縮因子與時間變慢因子相同，這種收縮被稱為洛倫茲收縮，用公式表示為：

式（2）中，L′為觀察者在與其相對運動的慣性系中測得的固定尺的長度；L為觀察者在與其相對靜止的慣性系中測得的靜尺的長度。

洛倫茲收縮并非是尺的內部結構發生變化，而是由于同時的相對性造成的。人們在日常生活中之所以看不到這種收縮，是因為接觸到的物體運動速度遠小于光速的原因。這種收縮既影響空洞的空間，也影響實際堅固的物體。