狹義相對論重要推論研究

關君

（新鄉廣播電視大學繼續教育學院，河南新鄉453003）

狹義相對論重要推論研究

關君

（新鄉廣播電視大學繼續教育學院，河南新鄉453003）

狹義相對論是相對論理論體系的基礎，是由20世紀最偉大的物理學家阿爾伯特·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.

愛因斯坦；狹義相對論；速度；質量；物理學

1 狹義相對論產生的歷史背景

1905年的9月份，一位不出名的物理學家愛因斯坦在德國的一份叫作《物理學雜志》上，發表了一篇跨時代意義的論文，名字是《論動體的電動力學》，標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，徹底的改變了當時傳統的物理思維方式，進入到一個新的物理世界里.

1.1 伽利略的變換慣性參考系

伽利略在十七世紀初根據自己多年對物體運動的研究，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.根據伽利略的觀察和研究可得出，時間不和空間發生任何關系，各個慣性系之間有自身共同的時間，是一種絕對的時間觀念.和它不同的是，在伽利略在實驗中長度也是有所改變的，不是一成不變的.絕對的時間和絕對的長度是構成絕對時空的必要條件.之前的物理學界對這個理論沒有懷疑但是證明這個定律還需要大量的實驗去論證.

1.2 牛頓力學

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

1.3 電磁理論對物理學的沖擊

等到19世紀時，隨著電和磁力的應用，物理學界有了新的領域——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典力學的根基.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上，對他的思想體系進行了系統地總結和完善提出了電磁場規律，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出了真空中電磁波的速度，這和實驗得到光速C是向一致的，實驗也有力的證實了這一結論.根據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-莫雷實驗

在19世紀時期“以太”學說廣泛的流傳起來，這是一種隨著光的波動理論發展逐步興起的學說.由于當時人們普遍對光的性質了解的少，因此用機械波的概念去描述光，假設有一種能夠傳播光的介質，命名為“以太”.當下的很多物理學家對“以太”很執著，認為它是真實存在的.科學家為了去尋找“以太”做了大量的實驗，這其中最著名的是邁克爾孫和莫雷的實驗.科學家們提出假設，假如“以太”這種物質存在的情況下則實驗會出現預期的現象，結果實驗結果和假設不符，因此得到的結果是“以太”不存在.

所有的結論和理念都無法使物理實驗結果和天文觀察的結果相一致，說明伽利略的變換體系、牛頓的經典力學以及麥克斯韋電磁理論三者各有優缺但相互之間不協調.

2 狹義相對論的建立和狹義相對論的思想發展

愛因斯坦創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、休謨都是他學習和進步的目標.這些人身長除了科學知識外，最重要的都有一種敢于打破傳統，掙脫傳統束縛的精神，這對他今后從事研究工作起了很重要的作用.因為人們的思想很容易被舊有的觀念束縛住，所以很多正確的帶有跨時代意義的理論，都是在產生很長一段時間后才普遍被人接受的，可這并不影響愛因斯坦對科學的探索，反而成了他日后做研究的動力了.

2.1 狹義相對論的建立

和牛頓總結前人經驗和思想一樣，愛因斯坦也是在分析了前人的工作才得出了最終的結論.

愛因斯坦對伽利略的變換理論中的時間和空間的概念進行分析，發覺伽利略在進行變換過程中的牛頓時空觀是沒有試驗根據的，只是伽利略單純的一個推測，沒有進行數據和科學的分析.19世紀奧地利著名的物理學家和哲學家恩斯特·馬赫說過“凡不能由實驗證實的概念和陳述,都不應在物理學中占有任何地位”，愛因斯坦基于這樣的理念，果斷的否定了被認為是“正確”的伽利略變換，由此遭到了當時很多物理學家的反對.伽利略變換是推測出的結果，而麥克斯韋電磁理論卻是經過大量實驗得出的，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”兩個重要的假設.根據這兩個假設，愛因斯坦又利用洛倫茨理論，將時間坐標系引入到當中去，計算推到出相對論的時空屬性，也就是運動的時間變短以及運動的距離縮短.除此之外他還推出了“任何慣性系中運動速度以光速為極限以及物質的質量隨運動變換的”的結論.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，使得20世紀的物理學有了一個質的飛躍，這個理論使得人們擺脫了牛頓的經典力學的束縛，進入到一個全新的物理世界里.

2.2 狹義相對論的思想發展

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時困惑著整個物理界的“以太之謎”，也就是邁克爾孫-莫雷實驗的結果.他提出相對論不是像“無知者”那樣，認為科學理念和技術來自靈感和炫目閃現.創新的人更需要經過長時間的醞釀，大量的實驗計算，反復嘗試和失敗.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，不容易被推翻.

愛因斯坦受物理學前輩馬赫的影響最深，馬赫曾在自己的物理學著作《力學史》中，公開對經典物理學叫板.這樣的勇氣和理念深深的影響了愛因斯坦，他在總結十九世紀物理學狀況時是曾這樣說的“上一世紀所有物理學家都把經典力學看作是全部物理學的,甚至是全部自然科學的牢固的和最終的基礎,而且他們還孜孜不倦地企圖把這一時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的基礎上”，這也和馬赫當年的理念不謀而合了.愛因斯坦受馬赫影響形成了兩個主要的觀點，分別是：理論不應該和經驗事實相互矛盾；理論本身應該有內在的完備性.所有的物理學問題只要用這兩個觀點去審視，都會有新的發現.愛因斯坦用這兩個觀點分析前人建立的物理體系，發現了漏洞產生了懷疑，這也引導了他今后建立相對論.

愛因斯坦在他還是青年的時候就顯示出了強大的邏輯思維能力，很早就接觸了牛頓力學并對洛倫茨定理產生了極大的興趣.隨著研究的深入，他發現前人的觀點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偶然事件，他是建立在對舊理論的研究總結后，分析、概括的結晶，它和舊的理論有相似之處又不完全相同，有獨到的見解和新穎的理念.

3 狹義相對論重要推論本質

在愛因斯坦的《論動體的電動力學》這篇文章中對相對論的相對性原理是這樣闡述的：物理體系的狀態據以變化的規律，同這些狀態的變化時兩個彼此做相對勻速移動的坐標系中的哪一個為參考，是無關的”.筆者將從三個方面闡述相對論的本質.

3.1 關于“相對論性原理”應該是一個還是兩個的看法

愛因斯坦在1905年提出狹義相對論時是基于兩點出發的，第一，相對性原理，第二，光速不變原理.在今后的物理學界，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？事實上，愛因斯坦的對這個問題早就想到了.設兩個物體在做勻速直線運動，他們的參考系分別是S和S’，然后在確定坐標{x}(x,t)和{x’}(x’,t’)這二者之間的變換關系，也就是進行洛倫茨變換，{x’}(x’,t’)本質上其實是{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C必須在數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.

通過計算和分析，我們可以得到這樣結論，在當下，我們如果越要去掉“相對性原理”中的任何一條來規避“邏輯循環”的話，并不是武斷的去掉其中之一，而是應該尋找新的原理.

3.2 質量關系的含義

狹義相對論中有一個著名的方程，被譽為“改變世界的方程”E=Mc2=Ek+mc2.這個公式的奇妙之處就在于，將各個靜止的和運動的量有機的結合起來.M質量是靜態的，C光速的是動態的，這樣的一組關系告訴了我們：M的產生機制和EK這部分的產生機制不同，是相互“正交”的.另外，經分析m和P/C有著相同的起源，也就是他們的微觀本質相同.我們可以根據量子場論，即在一個慣性體系內部，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，可以得質能關系E=Mc2=Ek+mc2，這也進一步論真出了該公式的對稱性，也是狹義相對論的本質.

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.定理中的每一個量都是相互獨立且存在的.因此C、P、T三個變量都有自己明確的定義，這才會產生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，而是經過大量的實驗和歸納證實的.

任何科學都有它魅力，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定律，相互聯系、相互影響.這種聯系一旦喪失了，這個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為能量守恒定律.在粒子高速運動的時候，粒子的質量可以忽略，因此F=ma牛頓經典力學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 結語

通過上面的論證，我們可以得到，早在1905年的時候，洛倫茨等當時著名的物理學家已經離狹義相對論十分接近了，可是在傳統的物理學思想的束縛之下沒能夠擴展一片新的理論體系，只是單純的對原有的理論體系進行修復和補充.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富后，通過對經典理論體系的質疑和挑戰，在當時大家都不相信的情況下創立了狹義相對論.真理都不是一定的，都有前提條件，當不適合條件的時候真理就成了謬論，愛因斯坦的狹義相對論建立在嚴密的思維邏輯下，雖然現在有的學者也提出了異議，但該理論也確實幫助我們打破了傳統，進入物理新紀元.

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

〔2〕劉遼，費保俊，張允中.狹義相對論.科技出版社，2008.

〔3〕張宗燧.電動力學及狹義相對論.北京大學出版社，2004.

〔4〕李醒民.激動人心的年代——世紀之交物理學革命的歷史考察和哲學探討.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.北京科學出版社，1980.

〔6〕張元仲.狹義相對論實驗基礎.北京科學出版社，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.物理學史.清華大學出版社，2005.

O412.1

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1673-260X（2013）07-0012-03