淺談狹義相對(duì)論

摘 要： 狹義相對(duì)論是由愛(ài)因斯坦在洛侖茲和龐加萊等人的工作基礎(chǔ)上創(chuàng)立的時(shí)空理論，是對(duì)牛頓時(shí)空觀的拓展和修正。愛(ài)因斯坦從光速不變?cè)沓霭l(fā)，重新看待人們頭腦中根深蒂固的伽利略變換所蘊(yùn)含的絕對(duì)時(shí)空觀，建立了嶄新的相對(duì)論的時(shí)空觀。

關(guān)鍵詞： 愛(ài)因斯坦 狹義相對(duì)論 時(shí)空觀

一、歷史背景

1865年以麥克斯韋方程組為核心的經(jīng)典電磁理論的正確性已被大量實(shí)驗(yàn)所證實(shí)，但麥克斯韋方程狹義相對(duì)論基本原理組在經(jīng)典力學(xué)的伽利略變換下不具有協(xié)變性。而經(jīng)典力學(xué)中的相對(duì)性原理則要求一切物理規(guī)律在伽利略變換下都具有協(xié)變性。究竟是麥克斯韋方程不滿足相對(duì)性原理，還是應(yīng)當(dāng)對(duì)麥克斯韋方程引入另一種變換？

早在電動(dòng)力學(xué)麥克斯韋方程建立之日，人們就發(fā)現(xiàn)它沒(méi)有涉及參照系問(wèn)題。人們利用經(jīng)典力學(xué)的時(shí)空理論討論電動(dòng)力學(xué)方程，發(fā)現(xiàn)在伽利略變換下麥克斯韋方程及其導(dǎo)出的方程（如亥姆霍茲，達(dá)朗貝爾等方程）在不同慣性系下形式不同，這一現(xiàn)象應(yīng)當(dāng)怎樣解釋？經(jīng)過(guò)幾十年的探索，在1905年終于由愛(ài)因斯坦創(chuàng)建了狹義相對(duì)論。

二、狹義相對(duì)論的基本假設(shè)

1905年愛(ài)因斯坦提出的狹義相對(duì)論建立在下面兩條基本假設(shè)的基礎(chǔ)上。

1.光速不變?cè)恚涸谒邢鄬?duì)于光源靜止或做勻速直線運(yùn)動(dòng)的慣性系中觀察，真空中的光速都相同。換句話說(shuō)，真空中的光速C是對(duì)任何慣性參考系都使用的普適常數(shù)。

2.狹義的相對(duì)性原理：對(duì)于描述一切物理過(guò)程（包括物理位置變動(dòng)、電磁及原子過(guò)程）的規(guī)律，所有慣性系都是等價(jià)的。這里的物理過(guò)程包括光現(xiàn)象在內(nèi)。愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)性原理是伽利略力學(xué)相對(duì)性原理的推廣。

其中第一條假設(shè)，使我們看到一幅與傳統(tǒng)觀念截然不同的物理圖像。設(shè)想從一點(diǎn)光源發(fā)出一光脈沖，如從光源在其中保持靜止的參考系中觀察，波前為以光源為中心的球面；如從相對(duì)于光源做勻速直線運(yùn)動(dòng)的另一參考系觀察，波前將同樣是以光源為中心的球面。這預(yù)示與伽利略變換不同的時(shí)空觀。第二條假設(shè)將對(duì)稱性推廣于全部基礎(chǔ)物理學(xué)。

三、狹義相對(duì)論誕生和發(fā)展過(guò)程

相對(duì)論是一個(gè)時(shí)空理論，要理解狹義相對(duì)論時(shí)空理論先要了解經(jīng)典時(shí)空理論的內(nèi)容。愛(ài)因斯坦于1922年12月4日，在日本京都大學(xué)作題為《我是怎樣創(chuàng)立相對(duì)論的？》的演講中，說(shuō)明了他關(guān)于相對(duì)論想法的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程。他說(shuō)：“關(guān)于我是怎樣建立相對(duì)論概念這個(gè)問(wèn)題，不太好講。我的思想曾受到那么多神秘而復(fù)雜的事物的啟發(fā)，每種思想的影響，在生活幸福論概念的發(fā)展過(guò)程中的不同階段都不一樣......我第一次產(chǎn)生發(fā)展相對(duì)論的念頭是在17年前，我說(shuō)不準(zhǔn)這個(gè)想法來(lái)自何處，但是我肯定，它包含在運(yùn)動(dòng)物體光學(xué)性質(zhì)問(wèn)題中，光通過(guò)以太海洋傳播，地球在以太中運(yùn)動(dòng)，換句話說(shuō)，即以太對(duì)地球運(yùn)動(dòng)。我試圖在物理文獻(xiàn)中尋找以太流動(dòng)的明顯的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但是沒(méi)有成功。隨后，我想親自證明以太相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)證明地球的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我首次想到這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，我不懷疑以太的存在或者地球通過(guò)以太的運(yùn)動(dòng)?！庇谑牵O(shè)想了一個(gè)使用兩個(gè)熱電偶進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)：設(shè)置一些反光鏡，以使從單個(gè)光源發(fā)出的光在兩個(gè)不同的方向被反射，一束光平行于地球的運(yùn)動(dòng)方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在兩個(gè)反射光束間的能量差，就能用兩個(gè)熱電偶測(cè)出產(chǎn)生的熱量差。雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)的想法與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)非常相似，但是他沒(méi)有得出結(jié)果。

愛(ài)因斯坦有機(jī)會(huì)讀了洛倫茲在1895年發(fā)表的論文，他討論并完滿解決了u/c的高次項(xiàng)（u為運(yùn)動(dòng)物體的速度，c為光速）。然后愛(ài)因斯坦試圖假定洛倫茲電子方程在真空參照系中有效，也應(yīng)該在運(yùn)動(dòng)物體的參照系中有效，去講座菲索實(shí)驗(yàn)。在那時(shí)，愛(ài)因斯坦堅(jiān)信，麥克斯韋-洛倫茲的電動(dòng)力學(xué)方程是正確的。進(jìn)而這些議程在運(yùn)動(dòng)物體參照系中有效的假設(shè)導(dǎo)致了光速不變的概念。然而這與經(jīng)典力學(xué)中速度相加原理相違背。

為什么這兩個(gè)概念互相矛盾？愛(ài)因斯坦為了解釋它，花了差不多一年的時(shí)間試圖修改洛倫茲理論。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)。他在一個(gè)朋友的幫助下解決了這一問(wèn)題。愛(ài)因斯坦去問(wèn)他并交談?dòng)懻摿诉@個(gè)困難問(wèn)題的各個(gè)方面，突然愛(ài)因斯坦找到了解決所有的困難的辦法。他說(shuō)：“我在五周時(shí)間里完成了狹義相對(duì)論原理?！?/p>

愛(ài)因斯坦的理論否定了以太概念，肯定了電磁場(chǎng)是一種獨(dú)立的、物質(zhì)存在的特殊形式，并對(duì)空間、時(shí)間的概念進(jìn)行了深刻的分析，從而建立了新的時(shí)空關(guān)系。他于1905年完成的論文被世界公認(rèn)為第一篇關(guān)于相對(duì)論的論文，他則是第一位真正的相對(duì)論物理學(xué)家。

四、狹義相對(duì)論的反對(duì)者

長(zhǎng)期以來(lái)，狹義相對(duì)論專家總是讓公眾無(wú)法理解狹義相對(duì)論，而公眾卻不得不把它奉為偉大真理，這是對(duì)公眾智慧的藐視和褻瀆。狹義相對(duì)論已成當(dāng)代科學(xué)發(fā)展的障礙。從對(duì)微觀世界認(rèn)知的困惑到宇宙學(xué)的混亂，一大禍根便是狹義相對(duì)論。

狹義相對(duì)論及其包含的相對(duì)主義實(shí)證論的負(fù)面影響已滲透到了社會(huì)生活的方方面面。當(dāng)前社會(huì)上封建迷信活動(dòng)和偽科學(xué)如此猖獗，與狹義相對(duì)論關(guān)系緊密。時(shí)下盛行的一些歪理邪說(shuō)大多源于狹義相對(duì)論及其衍生品，如“第4度空間”、“時(shí)間隧道”，“宇宙大爆炸”、“黑洞”等一類偽學(xué)說(shuō)。例如霍金說(shuō)他可以和牛頓和愛(ài)因斯坦同桌打牌、科幻電影中漂亮女孩通過(guò)時(shí)間隧道與歷史上的皇帝談情說(shuō)愛(ài)等，都是鬼神論的代表。說(shuō)狹義相對(duì)論是它們的理論靠山并不為過(guò)。毋庸置疑，狹義相對(duì)論是當(dāng)代科學(xué)，特別是基礎(chǔ)理論發(fā)展的嚴(yán)重障礙。

維護(hù)與反對(duì)狹義相對(duì)論的斗爭(zhēng)，不僅是學(xué)術(shù)上的爭(zhēng)論，是科學(xué)史上的一次撥亂反正，還是一場(chǎng)唯心主義與唯物主義的斗爭(zhēng)。

綜上所述，狹義相對(duì)論建立以后，對(duì)物理學(xué)起到了巨大的推動(dòng)作用，并且深入到量子力學(xué)的范圍，成為研究高速粒子不可缺少的理論，取得了豐碩的成果。然而在成功的背后，卻有兩個(gè)遺留下的原則性問(wèn)題沒(méi)有得到解決。第一個(gè)是慣性系所引起的困難。拋棄了絕對(duì)時(shí)空后，慣性系成了無(wú)法定義的概念。我們可以說(shuō)慣性系是慣性定律在其中成立的參考系。慣性定律的實(shí)質(zhì)是一個(gè)不受外力的物體保持靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)。然而“不受外力”是什么意思？只能說(shuō)，不受外力是指一個(gè)物體能在慣性系中靜止或勻速直線運(yùn)動(dòng)。這樣，慣性系的定義就陷入了邏輯循環(huán)，這樣的定義是無(wú)用的。我們總能找到非常近似的慣性系，但宇宙中卻不存在真正的慣性系，整個(gè)理論如同建筑在沙灘上一般。第二個(gè)是萬(wàn)有引力引起的困難。萬(wàn)有引力定律與絕對(duì)時(shí)空緊密相連，必須修正，但將其修改為洛倫茲變換下形勢(shì)不變的任何企圖都失敗了，萬(wàn)有引力無(wú)法納入狹義相對(duì)論的框架。當(dāng)時(shí)物理界只發(fā)現(xiàn)了萬(wàn)有引力和電磁力兩種力，其中一種就冒出來(lái)?yè)v亂，情況當(dāng)然不會(huì)令人滿意。

相對(duì)論入門中的例子，更為可信的結(jié)論是：相對(duì)論主要結(jié)果是光速觀測(cè)結(jié)果，不等于物理本質(zhì)，因此它并不是錯(cuò)誤的，也是可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)的，但它不能準(zhǔn)確描述物理本質(zhì)，是有待完善的理論，愛(ài)因斯坦只是列錯(cuò)了算式；波粒二象性是波傳遞必須依靠的介質(zhì)中的粒子表現(xiàn)出來(lái)的，因此光也是普通的波，與其他波沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。按照修正后的相對(duì)論，與所有其他體系兼容，且不存在悖論，有關(guān)相對(duì)論的爭(zhēng)議，完全可以平息。

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