爱因斯坦相对论-论动体的电动力学(中文版)[1]1

论动体的电动力学大家知道，麦克斯韦电动力学——象现在通常为人们所理解的那样——应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，而这种不对称似乎不是现象所固有的。比如设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用。在这里，可观察到的现象只同导休和磁体的相对运动有关，可是按照通常的看法，这两个物体之中，究竟是这个在运动，还是那个在运动，却是截然不同的两回事。如果是磁体在运动，导体静止着，那么在磁体附近就会出现一个具有一定能量的电场，它在导体各部分所在的地方产生一股电流。但是如果磁体是静止的，而导体在运动，那么磁体附近就没有电场，可是在导体中却有一电动势，这种电动势本身虽然并不相当于能量，但是它——假定这里所考虑的两种情况中的相对运动是相等的——却会引起电流，这种电流的大小和路线都同前一情况中由电力所产生的一样。堵如此类的例子，以及企图证实地球相对于“光煤质”运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性，倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的定律也一样适用，对于第一级微量来说，这是已经证明了的。我们要把这个猜想（它的内容以后就称之为“相对性原理”）提升为公设，并且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度C传播着，这速度同发射体的运动状态无关。由这两条公设，根据静体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而又不自相矛盾的动体电动力学。“光以太”的引用将被证明是多余的，因为按照这里所要阐明的见解，既不需要引进一个共有特殊性质的“绝对静止的空间”，也不需要给发生电磁过程的空虚实间中的每个点规定一个速度矢量。这里所要闸明的理论——象其他各种电动力学一样——是以刚体的运动学为根据的，因为任何这种理论所讲的，都是关于刚体（坐标系）、时钟和电磁过程之间的关系。对这种情况考虑不足，就是动体电动力学目前所必须克服的那些困难的根源。一运动学部分§1、同时性的定义设有一个牛顿力学方程在其中有效的坐标系。为了使我们的陈述比较严谨，并且便于将这坐标系同以后要引进来的别的坐标系在字面上加以区别，我们叫它“静系”。如果一个质点相对于这个坐标系是静止的，那么它相对于后者的位置就能够用刚性的量杆按照欧儿里得几何的方法来定出，并且能用笛卡儿坐标来表示。如果我们要描述一个质点的运动，我们就以时间的函数来给出它的坐标值。现在我们必须记住，这样的数学描述，只有在我们十分清楚地懂得“时间”在这里指的是什么之后才有物理意义。我们应当考虑到：凡是时间在里面起作用的我们的一切判断，总是关于同时的事件的判断。比如我说，“那列火车7点钟到达这里”，这大概是说：“我的表的短针指到7同火车的到达是同时的事件。”也许有人认为，用“我的表的短针的位置”来代替“时间”，也许就有可能克服由于定义“时间”而带来的一切困难。事实上，如果问题只是在于为这只表所在的地点来定义一种时间，那么这样一种定义就已经足够了；但是，如果问题是要把发生在不同地点的一系列事件在时间上联系起来，或者说——其结果依然一样——要定出那些在远离这只表的地点所发生的事件的时间，那么这样的定义就不够了。当然，我们对于用如下的办法来测定事件的时间也许会成到满意，那就是让观察者同表一起处于坐标的原点上，而当每一个表明事件发生的光信号通过空虚空间到达观察者时，他就把当时的时针位置同光到达的时间对应起来。但是这种对应关系有一个缺点，正如我们从经验中所已知道的那样，它同这个带有表的观察者所在的位置有关。通过下面的考虑，我们得到一种此较切合实际得多的测定法。如果在空间的A点放一只钟，那么对于贴近A处的事件的时间，A处的一个观察者能够由找出同这些事件同时出现的时针位置来加以测定，如果．又在空间的B点放一只钟——我们还要加一句，“这是一只同放在A处的那只完全一样的钟。”那么，通过在B处的观察者，也能够求出贴近B处的事件的时间。但要是没有进一步的规定，就不可能把A处的事件同B处的事件在时间上进行比较；到此为止，我们只定义了“A时间”和“B时间”，但是并没有定义对于A和B是公共的“时间”。只有当我们通过定义，把光从A到B所需要的“时间”，规定为等于它从B到A所需要的“时间”，我们才能够定义A和B的公共“时间”。设在“A时间”tA，从A发出一道光线射向B，它在“B时间”,tB。又从B被反射向A，而在“A时间”t`A回到A处。如果tBAttAtB`那么这两只钟按照定义是同步的。我们假定，这个同步性的定义是可以没有矛盾的，并且对于无论多少个点也都适用，于是下面两个关系是普遍有效的：1．如果在B处的钟同在A处的钟同步，那么在A处的钟也就同B处的钟同步。2．如果在A处的钟既同B处的钟，又同C处的钟同步的，那么，B处同C处的两只钟也是相互同步的。这样，我们借助于某些（假想的）物理经验，对于静止在不同地方的各只钟，规定了什么叫做它们是同步的，从而显然也就获得了“同时”和“时间”的定义。一个事件的“时间”，就是在这事件发生地点静止的一只钟同该事件同时的一种指示，而这只钟是同某一只特定的静止的钟同步的，而且对于一切的时间测定，也都是同这只特定的钟同步的。根据经验，我们还把下列量值ctAtABA`2当作一个普适常数（光在空虚空间中的速度）。要点是，我们用静止在静止坐标系中的钟来定义时间，由于它从属于静止的坐标系，我们把这样定义的时间叫做“静系时间”。§2关于长度和附间的相对性下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们定义，如下。1．物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竞是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。2，任何光线在“静止的”坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。由此，得时间间隔光的路程光速这里的“时间间隔”，是依照§1中所定义的意义来理解的。设有一静止的刚性杆；用一根也是静止的量杆量得它的长度是l．我们现在设想这杆的轴是放在静止坐标系的X轴上，然后使这根杆沿着X轴向x增加的方向作匀速的平行移动（速度是v）。我们现在来考查这根运动着的杆的长度，并且设想它的长度是由下面两种操作来确定的：a）观察者同前面所给的量杆以及那根要量度的杆一道运动，并且直接用量杆同杆相叠合来量出杆的长度，正象要量的杆、观察者和量杆都处于静止时一样。b）观察者借助于一些安置在静系中的、并且根据§1作同步运行的静止的钟，在某一特定时刻t，求出那根要量的杆的始末两端处于静系中的哪两个点上。用那根已经使用过的在这种情况下是静止的量杆所量得的这两点之间的距离，也是一种长度，我们可以称它为“杆的长度”。由操作a）求得的长度，我们可称之为“动系中杆的长度”。根据相对性原理，它必定等于静止杆的长度l。由操作b）求得的长度，我们可称之为“静系中（运动着的）杆的长度”。这种长度我们要根据我们的两条原理来加以确定，并且将会发现，它是不同于l的。通常所用的运动学心照不宣地假定了：用上远这两种操作所测得的长度彼此是完全相等的，或者换句话说，一个运动着的刚体，于时期t，在几何学关系上完全可以用静止在一定位置上的同一物体来代替。此外，我们设想，在杆的两端（A和B)，都放着一只同静系的钟同步了的钟，也就是说，这些钟在任何瞬间所报的时刻，都同它们所在地方的“静系时间”相一致；因此，这些钟也是“在静系中同步的”。我们进一步设想，在每一只钟那里都有一位运动着的观察者同它在一起，而且他们把§1中确立起来的关于两只钟同步运行的判据应用到这两只钟上。设有一道光线在时间tA从A处发出，在时间tB于B处被反射回，并在时间t`A返回到A处。考虑到光速不变原理，我们得到：vcrABtAtB和vcrABtBAt`此处rAB表示运动着的杆的长度——在静系中量得的。因此，同动杆一起运动着的观察者会发现这两只钟不是同不进行的，可是处在静系中的观察者却会宣称这两只钟是同步的。由此可见，我们不能给予同时性这概念以任何绝对的意义；两个事件，从一个坐标系看来是同时的，而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来，它们就不能再被认为是同时的事件了。§3、从静系到另一个相对于它作匀速移动的坐标系的坐标和时间的变换理论设在“静止的”空间中有两个坐标系，每一个都是由三条从一点发出并且互相垂直的刚性物质直线所组成。设想这两个坐标系的X轴是叠合在一起的，而它们的Y轴和Z轴则各自互相平行着。设每“一系都备有一根刚性量杆和若干只钟，而且这两根量杆和两坐标系的所有的钟彼此都是完全相同的。现在对其中一个坐标系（k）的原点，在朝着另一个豁止的坐标系（K）的x增加方向上给以一个（恒定）速度v，设想这个速度也传给了坐标轴、有关的量杆，以及那些钟。因此，对于静系K的每一时间t，都有动系轴的一定位置同它相对应，由于对称的缘故，我们有权假定k的运动可以是这样的：在时间t（这个“t”始终是表示静系的时间），动系的轴是同静系的轴相平行的。我们现在设想空间不仅是从释系K用静止的量杆来量度，而几也可从动系k用一根同它一道运动的量杆来量，由此分别得到坐标x，y，z和ξ，η，ζ。再借助于放在静系中的静止的钟，用§1中所讲的光信号方法，来测定一切安置有钟的各个点的静系时间t。同样，对于一切安置有同动系相对静止的钟的点，它们的动系时间τ也是用§1中所讲的两点间的光信号方法来测定，而在这些点上都放着后一种[对动系静止]的钟。对于完全地确定静系中一个事件的位置和时间的每一组值x,y,z,t，对应有一组值ξ，η，ζ，τ，它们确定了那一事件对于坐标系k的关系，现在要解决的问题是求出联系这些量的方程组。首先，这些方程显然应当都是线性的，因为我们认为空间和时间是具有均匀性的。如果我们置vtxx`，那么显然，对于一个在k系中静止的点，就必定有一组同时间无关的值x`，y，z。我们先把τ定义为x`，y，z和t的函数。为此目的，我们必须用方程来表明τ不是别的，而只不过是k系中已经依照§1中所规定的规则同步化了的静止钟的全部数据。从k系的原点在时间τ0发射一道光线，沿着X轴射向x`，在τ1时从那里反射回坐标系的原点，而在τ2时到达；由此必定有下列关系：12021）（或者，当我们引进函数τ的自变量，并且应用到静系中的光速不变原理：vcxtxvcxvcxtt`,0,0`,``00000021，，，，，，如果我们选取x`为无限小，那么：tcxtvcvc1`1121或者，0`22txc应当指出，我们可以不选坐标原点，而选别的点做为光线的出发点，因此刚才所得到的方程对于x',y,z的一切数值都该是有效的。作类似的考查——用在H轴和Z轴上——并且注意到，从静系看来，光沿着这些轴传播的速度始终是22c，这就得到：0y0z由于τ是线性函数，从这个方程得到：`22xtac此处a暂时还是一个未知函数，并且为了简便起见，假定在k的原点，当，τ=0时，t=0。借助于这一结果，就不难确定ξ，η，ζ，这些量，这只要用方程来表明，光（象光速不变原理和相对性原理所共同要求的）在动系中量度起来也是以速度c在传播的。对于在时间τ=0向ξ增加的方向发射出去的一道光线，其方程是：V，或者`22xtaVc但在静系中量度，这道光线以速度V相对于k的原点运动着，因此得到：tcx`如果我们以t这个值代入关于ξ的方程中，我们就得到：`222xacc用类似的方法，考察沿着另外两条轴走的光线，我们就求得：`22xtaccc此处tyc22；0`x因此ycavc22和zcavc22代入x`的值，我们得到：xtc2，vtxvξ，yv，zv，此处cv21