狭义相对论的建立

狭义相对论的诞生狭义相对论是关于时间、空间和物质运动的理论，它是20世纪初以来物理学发展的重大成就之一；它和量子力学一起，构成了现代物理学以及当代高技术发展的基础。狭义相对论的创立，对人类的时空观、物质观、运动观、因果观和宇宙观，都有重大的影响。一绝对时空观的困难“运动是时间和空间的本质”。时间和空间是物质存在的基本形式，物质又存在于运动之中。所以，一定的运动观总是和一定的时空观相联系的。17世纪初，牛顿总结了机械运功的三个基本定律和万有引力定律，建立了经典力学理论体系，全部经典力学的出发点是“惯性”和“惯性运动”，“惯性运动”是指物体在不受外力作用时或者“相对静止”，或者做“匀速直线运动”，这就对作为物体运动的“舞台”空间和时间的属性提出了要求，物体的“绝对静止”是以一个相对不变的统一空间为其场所的；而“匀速直线运动”，则要求空间绝对“平直”，时间节奏绝对“均匀”，而且整个宇宙的时间和空间是“等同”的；空间和时间又是独立存在的，他限制和容纳着物体的运动，而不受物体及其运动的影响。于是，牛顿在他的《原理》中就引入了绝对空间和绝对时间，来决定他的动力学生效的参考系。“绝对的、真正的和数学的时间在自身流逝着，而且由于其本性而在均匀地、与任何其他外在事物无关的流逝着，它又可以名之为’连续性’；相对的、表观的和通常的时间是连续性的一种可感觉的、外部的、通过运动来进行的量度。绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的。相对时间是绝对时间的可动部分或量度，我们的感官通过绝对时间和其他物体的位置而确定了它，并且通常把他当做不动的空间看待…………”可以看出，牛顿是把绝对空间以及对于绝对空间做匀速直线运动的参考系，作为他的运动定律能够成立的参考系。牛顿的绝对时空观，继承了人们自古以来认为空间和时间是同物质及其运动相互独立而无关的直觉，无论从直观的意义上，还是从牛顿力学运动规律的表述的要求上来说，似乎都是很自然的。但是，仔细推敲起来，人们就会发现，这种绝对空间，绝对时间与伽利略相对性原理是不相容的，因为相对性原理是不承认绝对静止的，自然也就不存在某种绝对的参考系；另外，既然绝对空间和绝对空间是“外界任何事物无关的”，完全封闭的，又怎么能通过某种过程被人们测定和认识到呢？这不能不说是牛顿绝对时空观的一种固有的矛盾。按照爱因斯坦的说法：“牛顿自己比他以后许多博学的的科学家更能明白他的思想结构存在的固有弱点。”可能是出于这个原因，牛顿在绝对时间和绝对空间以外，有引入了相对时间和相对空间用以具体描述物体的运动，这种相对运动是满足相对性原理的。为了证明以绝对空间为背景的绝对运动的存在，牛顿提出了著名的“永恒试验”：使一盛水的桶从静止开始旋转，当水与桶的相对运动最大时，水面还是平面；尔后当水也开始旋转时，水与桶的相对速度减小时，水面却成凹面；当水桶停止旋转时，水却仍然旋转而使水面成凹面。因此水面的形状只取决于水本身的运动情况，而与它与桶身的相对运动无关，牛顿断言，水的这种离开旋转轴的倾向，可以作为表征绝对运动的“特有而恰当的效应。”牛顿的绝对时空观，作为物体低速运动的时空关系的抽象，是与当时力学运动的实验事实相符合的，但由于自身固有的弱点，从一开始就受到了他的同时代的人的批判，莱布尼兹坚持空间概念来自于并存在的各个物体之间的关系，拒绝任何与物体客体相分离的空间概念。惠更斯则第一个以明确的物理概念提出了相对空间的观点，针对牛顿的“水桶实验”，他提出转动也是物体各个部分直接按的相对运动，这种运动趋于沿不同的方向走开，只是他们被物体束缚住了，这表明，惠更斯实际是提出了动力学相对性思想。1710年，英国主教贝克莱（G.Berkeley,1684~1753.）在他出版的《人类知识原理》中，从“存在就是被感知”的唯心主义哲学命题出发，对牛顿的绝对时空观进行了批判。他指出，“绝对空间的各个部分是我们的感官感受不到的，那么我们就不得不用它们的可感的尺度，依据一些我们认为不动的物体来决定场所和运动。”他断言：“运动不论是实在的或是假象的，都是相对的，不顾牛顿虽然如此说，我却看不出有任何不是相对的运动。因此，我们要设想运动，至少应该有两个物体的位置和距离发生了变化。因此，如果只有一个物体存在，则它根本就不能运动。”“在我所说的纯粹空间内，人们不要以为空间一词表示着一个异于物体和运动并离开他们还能假想的观念。”贝克莱还针对牛顿的“水桶实验”指出，如果考虑地球的周日和周年运动，桶中水的“真实运动”就不是圆周运动。奥地利哲学家和物理学家马赫（E.Mach,1836~1916）在他1883年出版的《力学：其发展的历史和批判的说明》中，对牛顿的绝对时空观及其论证做出了最强有力的批判，并提出了他的很有影响力的相对时空观。他指出:“时间宁可说是我们从事物的变化中所得到的的一种抽象，因为一切都是相互联系这的……我们没有理由说有一个与变化无关的“绝对时间’，他们可以不与运动相比较而测度出来。所以，他既无实用价值，也无科学价值。没有一个人会说他对它有什么了解，它是一个无用的形而上学的概念”。针对牛顿的“绝对空间”、“绝对运动”的观念，马赫指出，我们的一切力学原理都是关于物体的相对位置和相对运动的经验知识；当把这些经验性的原理推广到超出界限之外时，这些原理的正确性无法得到保证，因而也是无意义的。他举例说：“一种运动，只能说是相对于另一种运动来说是匀速的，而一种运动自身是否存在匀速的问题，是毫无意义的。”运动总是相对于其他物体而言的，关于选择哪一个物体，本质上都是一样的。因而作为“特定”的参考物的绝对空间，绝对是一种虚构。关于牛顿的“水桶实验”，马赫指出，水面的凹凸当然跟水与桶的相对运动无关，但这并不能表明在水桶之外有什么绝对空间，而只是因为桶壁的质量太小了，它还不足以引起水面的凹凸，如果设想桶壁的变得非常厚，以至于它和天体具有相同的质量，那么水与水桶的相对运动对于水面的形状就不可能不起作用了。实际上马赫认为，水面的凹曲正是由于巨大质量的遥远天体的作用引起的、他甚至设想，当把水桶固定而使恒星天体转动，在这种情形下水也会因为受到离心力而使水面呈凹曲壮。因此马赫断言，只存在着相对运动和相对空间。马赫关于牛顿“水桶实验”的这些深刻的思考，导致了他把惯性定律看成是整个宇宙物质的总效应，这个思想后来被称为“马赫原理”，他对爱因斯坦创立广义相对论有很大的启发。正是广义相对论建立之后，牛顿的绝对时空观才失去了他的自然科学的根据，完成了它在近代物理学的建立和发展中的历史作用。否定了牛顿的绝对空间，那又怎么去确定动力学在其中生效的参考系呢？1885年，朗格（L.Lange,1863~1936）提出，应当运用牛顿的惯性定律本身去确定使动力学生效的这种“惯性参考系”，以代替“绝对空间”那种“鬼魂”式的概念、他建议，可以去在其中的三个（非共线运动的）孤立质点都做匀速直线运动的参考系作为惯性系。在这样规定的参考系里。任何其他孤立的质点的运动都必然都是符合运动学规律的。他认为：“物理学定义它的参考系，是从它应当实现的目的出发的；因此，从同一个观点看来，它也是时间量度的基础。”朗格的“惯性时间标度”确实也包括在惯性系的定义里面，这就消除了“绝对时间”的需要。朗格还用天文学的观测数据，检验了恒星参考系，肯定它是一种精确度很高的惯性参考系。实际上，不仅惯性参考系。而且空间和时间的量度本身，归根到底都是动力学定律绝对的。或者说时空几何学的选择，必须是惯性定律和动力学的其他基本定律采取我们已经认识到的那种简单的形式。在相对论理论的发展过程中，空间和时间概念的动力学意义的这一内涵才得到充分的揭示。二收缩假说和洛伦兹电子论由于光现象和电磁现象在本质上的统一性，所以当把麦克斯韦的电磁场方程推广到运动物体时，同样存在着穿行于以太中的物体在多大程度上携带以太一同前进的问题。麦克斯韦虽然没有明确的论述过这个问题，但由于在他的方程组中出现的真空中的光速c是由真空磁导率μ和电容率ε绝定的常数，即uic这表明电磁场方程仅对相对于以太静止的惯性系才有效，这意味着麦克斯韦的理论隐含着物质和以太一起运动的假定。1890年，赫兹把麦克斯韦的电磁场方程做出整理并推广到包含运动物体的情形中。他继承了麦克斯韦的思想，第一个明确的把以太全部被运动物质摇曳的假说应用于电磁场方程。由于斯托克斯的全部摇曳假说在光学领域里已经遇到不少困难，所以赫兹也很清楚地意识到这只是一个权宜之计。但是，由于这个假说的简单性，即它不要求以太的运动和物质的运动加以区别，所以引起了他作进一步研究的兴趣。赫兹的假说对运动的导体里的各种感应现象做出了正确的描述，但在描述运动的介质在电场和磁场中的一些效应时却遇到了困难。早在1885年伦琴就让一个绝缘体平板在电场中（充电电容器之间）运动，平板中将有电场E，并感应出电位移εE，它垂直于板平面，结果在平板的两个界面上产生了等量的电荷，其密度δ正比于电位移D，D由以太的位移和物质本身的位移两部分组成。根据赫兹的观点，如果平板一速度V运动，它里面的以太将全部被带走，密度为π4/E的电荷也将被带走。由于界面上的运动电荷将产生相当于av电流大小的磁场，a为平板宽度。实验结果，磁针偏转的程度比赫兹理论值要小。这意味着，如果有以太的话，它不像赫兹所设想的一样全部被运动物质所摇曳，表现出来的只是一部分吧被摇曳的效应，。不过，赫兹由于假定以太同物质总是相对静止的。牛顿力学的相对性原理也可以推广麦克斯韦的电磁场理论中。赫兹的这一理论由于其本身的困难和赫兹的早逝而未得到发展。荷兰物理学家洛伦兹与1892年提出的经典电子论，标志着以太论发展到最后的阶段。他把电磁场的物质看作是弥漫在以太中的带正电和带负电的粒子组成；他希望有物质中带电粒子的运动和它相关连的电磁场的相互作用，导出物质的电磁性质。建议菲涅耳光以太理论的成功，洛伦兹做了与赫兹相反的假定，即以太在空间中是静止的，完全不被运动物质所摇曳。也就是说，洛伦兹认为只有静止以太系才是麦克斯韦方程组成立的参考系。这样，洛伦兹的以太就起着像牛顿的绝对空间相同的作用。洛伦兹在1892年的论文《麦克斯韦的电磁理论及其对运动物体的应用》中，第一次采用麦克斯韦的有限速度传播的电磁场理论，由有源的电磁场方程组来描写空间中各点的以太的状态；同时，物质中的带电粒子则经受着以太作用的电磁力（即后来所说的“洛伦兹力”），由带电粒子的振动同电磁场的相互影响，洛伦兹算出了透明介质的色散公式以及运动介质中的光速公式，在后一公式中给出了菲涅耳的曳引系数。这样，对于洛伦兹理论来说，它只是证明了在v/c的一次项时的电磁现象与光现象仅与物体的相对平动有关。因为以太是绝对静止的。而对于1887年迈克尔孙和莫雷所做出的涉及到v/c的二次方的实验，洛伦兹的新理论还不能做出解释。为了解决这个问题，洛伦兹在1892年晚些时候发表的《论地球和以太的相对运动》中，提出了著名的“收缩假说”。在他之前，1889年爱尔兰物理学家菲兹杰拉德（G.Fitzgerald,1851~1901）就已提出过相似的设想。菲兹杰拉的认为，如果物质是有带电粒子组成的，相对于以太静止的量杆的长度将由粒子间取得的静电平衡决定的；当量杆相对于以太运动时。组成量杆的带电粒子将会产生磁场，从而改变粒子之间的平衡间隔，量杆就会缩短；缩短的程度将取决于物体运动速度与光速的比，即√（1-v²/c²）。现在洛伦兹也独立的提出，“只要假定出于地球运动方向的那个臂比另一个臂缩短（Lv²/2c²）……则迈克尔孙的实验就能够得到圆满的解释。”同时他还描述了收缩的物理过程：“只有我们假定分子力也像电子力和磁力那样……是通过以太传递的。那么平移很可能影响两个分之间的作用，其方式也类似荷电粒子之间的吸引和排斥。”“分子位移自然会引起分子之间的自动重新分布。从而导致在运动方向上按1：1-v²/2c²的比例收缩。”在运动方向上的收缩，适当抵消由经典的速度合成公式计算出来的时间延迟，这就解释了以太漂移的零结果。不过，洛伦兹的收缩假说只涉及到v²/c²的这种二阶效应，对菲涅耳早就得出的在v