相對(duì)論的產(chǎn)生及討論

摘 要：相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)和當(dāng)代高科技發(fā)展的重要基礎(chǔ)。它的建立是20世紀(jì)自然科學(xué)最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對(duì)物理學(xué)、天文學(xué)乃至哲學(xué)思想都有深遠(yuǎn)影響。相對(duì)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。相對(duì)論是關(guān)于時(shí)間和空間的學(xué)說(shuō)，它的創(chuàng)立不是始于對(duì)牛頓絕對(duì)時(shí)空觀的批判，而是由于對(duì)運(yùn)動(dòng)媒質(zhì)中的電磁現(xiàn)象的研究引起的。“媒質(zhì)”在當(dāng)時(shí)稱(chēng)為“以太”。它有各種模型，因此相對(duì)論的建立和“以太”是密切相關(guān)的，也是和在以太（靜止和運(yùn)動(dòng)）中光速的測(cè)定有密切的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：以太;狹義相對(duì)論;時(shí)間與空間;廣義相對(duì)論

一、神秘的以太

“以太”的提出，是為了解釋光在真空中以及高速的空間中都能傳播這一事實(shí)。當(dāng)時(shí)，認(rèn)為光必須有一個(gè)載體才能傳播，而這種載體當(dāng)光在真空中傳播時(shí)顯得更為重要。為了解釋真空不空，笛卡兒于17世紀(jì)第一個(gè)提出“以太”假說(shuō)，并把“以太”描述為：以太是充滿(mǎn)整個(gè)空間的一種物質(zhì)，真空中沒(méi)有空氣，但卻有這種無(wú)所不入的“以太”。

18世紀(jì)，由于牛頓力學(xué)的建立，提出了超距作用的觀點(diǎn)，這觀點(diǎn)無(wú)需“以太”作為媒介，而認(rèn)為力是超距作用的，因此“以太”也隨之被遺棄。

至19世紀(jì)上半葉，當(dāng)光具有波動(dòng)性被大多數(shù)物理學(xué)家承認(rèn)時(shí)，“以太”假說(shuō)又獲得了新的支持。于是19世紀(jì)末的物理學(xué)界，牢固地確立了一種思想：認(rèn)為有一種到處存在的以太，作為傳播光的基礎(chǔ)，而且還把它當(dāng)作一種絕對(duì)靜止的參考系。于是出現(xiàn)了觀察相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)的問(wèn)題，物理學(xué)家為了尋找以太，做了許多實(shí)驗(yàn)，例如：光行差實(shí)驗(yàn)，斐索實(shí)驗(yàn)，邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)等。

由這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以認(rèn)為，光在以太媒質(zhì)中傳播的以太學(xué)說(shuō)不能圓滿(mǎn)解釋所有觀察到的有關(guān)實(shí)驗(yàn)事實(shí)。特別是精確度極高的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)向以太學(xué)說(shuō)賴(lài)以建立的牛頓絕對(duì)時(shí)空觀提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)，由此被開(kāi)爾文看作為經(jīng)典物理晴朗天空中的一朵烏云。

二、狹義相對(duì)論

在愛(ài)因斯坦16歲時(shí)就開(kāi)始思考這樣一個(gè)問(wèn)題：“如果我以速度c（真空中的光速）追隨光線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，我應(yīng)當(dāng)看到這條光線(xiàn)就好像一個(gè)在空中振蕩著而停滯不前的電磁論，實(shí)際上包含了狹義相對(duì)論的萌芽。愛(ài)因斯坦對(duì)這個(gè)問(wèn)題的思考經(jīng)歷了很長(zhǎng)的過(guò)程。他得知邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的零結(jié)果，認(rèn)識(shí)到地球相對(duì)于以太的運(yùn)動(dòng)是不能用任何儀器測(cè)量的。如果邁克爾遜的零結(jié)果是正確的，那么地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)的想法就是錯(cuò)誤的，這成為引導(dǎo)愛(ài)因斯坦走向狹義相對(duì)論的第一步。

后來(lái)，他試圖用洛倫茲方程討論斐索的流水中光速實(shí)驗(yàn)。當(dāng)時(shí)他堅(jiān)信麥克斯韋和洛倫茲電動(dòng)力學(xué)方程是正確的，但是進(jìn)一步推算時(shí)，發(fā)現(xiàn)要保持這些方程對(duì)動(dòng)體參照系同樣有效，必然導(dǎo)致光速不變性的概念，而光速的不變性明顯地與力學(xué)的速度合成法則相抵觸。

經(jīng)過(guò)10年的思考，終于找到了解決問(wèn)題的關(guān)鍵：對(duì)時(shí)間概念的分析，不可能絕對(duì)的確定時(shí)間，在時(shí)間和信號(hào)速度之間有著不可分割的聯(lián)系。在愛(ài)因斯坦發(fā)表的《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的文章中，愛(ài)因斯坦把相對(duì)性原理和光速不變?cè)矸旁谝黄鹱鳛榛境霭l(fā)點(diǎn)，稱(chēng)之為兩條公設(shè)，這里也不需要特設(shè)的絕對(duì)靜止的參考系，以此為出發(fā)點(diǎn)，推導(dǎo)出了時(shí)空變換關(guān)系，建立了一系列新的時(shí)空變換公式之后，又推導(dǎo)出了運(yùn)動(dòng)物體的“長(zhǎng)度收縮”、運(yùn)動(dòng)時(shí)間的“時(shí)鐘變慢”、同時(shí)性的相對(duì)性及新的速度合成法則等，形成一套新的時(shí)空觀。愛(ài)因斯坦在《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》中，推導(dǎo)出了電子質(zhì)量隨速度變化的關(guān)系和電子的動(dòng)能公式，并由電子速度等于光速c時(shí)動(dòng)能變?yōu)闊o(wú)窮大的結(jié)果，預(yù)言電子速度不可能大于光速。

狹義相對(duì)論雖然成功地打破了絕對(duì)參考系的優(yōu)越地位，但卻不得不保留慣性系的優(yōu)越地位，仍然只適用于慣性參考系。另外，不可能以自然的方式把引力理論同狹義相對(duì)論結(jié)合起來(lái)。為了解決這些問(wèn)題，促使愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論，成為廣義相對(duì)論的最基本思想。

三、廣義相對(duì)論

愛(ài)因斯坦在1907年發(fā)表的論文《關(guān)于相對(duì)性原理和由此得出的結(jié)論》中提到了作為廣義相對(duì)論基礎(chǔ)的兩個(gè)基本原理：等效原理;廣義相對(duì)性原理。等效原理：一個(gè)均勻的引力場(chǎng)等效于一個(gè)不變的加速度。有了等效原理，通過(guò)“從理論上來(lái)考察那些相對(duì)于一個(gè)均勻加速度的坐標(biāo)系而發(fā)生的過(guò)程，我們就獲得了關(guān)于均勻引力場(chǎng)中各種過(guò)程的全部歷程的信息”。取消了慣性系的極為優(yōu)越的特殊地位，愛(ài)因斯坦提出廣義相對(duì)論的第二條基本原理——廣義相對(duì)性原理：自然規(guī)律同參考系的狀態(tài)無(wú)關(guān)，相對(duì)性運(yùn)動(dòng)原理對(duì)于互相做加速運(yùn)動(dòng)的參考系也仍然成立。

廣義相對(duì)論問(wèn)題本質(zhì)上是引力問(wèn)題。愛(ài)因斯坦在廣義相對(duì)論里，著重研究了引力問(wèn)題。他系統(tǒng)的分析了牛頓關(guān)于引力問(wèn)題的論述，認(rèn)為如果把超距作用改為場(chǎng)的作用，就可以找到引力質(zhì)量與慣性質(zhì)量之間的必然聯(lián)系。于是，愛(ài)因斯坦便從慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等的等效原理出發(fā)，建立了引力場(chǎng)概念，最后通過(guò)復(fù)雜的運(yùn)算推導(dǎo)出引力場(chǎng)方程，使得牛頓萬(wàn)有引力理論未能解決的問(wèn)題獲得了解決。愛(ài)因斯坦的引力場(chǎng)方程闡明了引力的本質(zhì)。他把引力場(chǎng)看成是物質(zhì)存在的一種特殊形態(tài)，它與物體之間的“接觸作用”就是引力。其次，弄清了牛頓引力理論的適用范圍，它只適用于低速運(yùn)動(dòng)的物體。在該范圍里，廣義相對(duì)論表現(xiàn)出與牛頓引力理論的結(jié)果一致;但物體的運(yùn)動(dòng)速度接近光速（強(qiáng)引力場(chǎng)），或者運(yùn)動(dòng)物體有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，牛頓的引力理論便出現(xiàn)誤差，這是，只有廣義相對(duì)論才能做出正確解釋。因此，廣義相對(duì)論揭穿了引力之謎。廣義相對(duì)論的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證有：水星繞近日點(diǎn)的近動(dòng)問(wèn)題;光線(xiàn)在強(qiáng)引力場(chǎng)中的彎曲;光譜線(xiàn)的引力紅移。

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[3]劉佑昌.相對(duì)論并不神秘[J].清華大學(xué)出版社.

作者簡(jiǎn)介：

趙心雅（1997.7-）女，漢族，學(xué)生，黑龍江省賓縣，單位： 鄭州大學(xué) 物理工程工程學(xué)院，專(zhuān)業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器。