狭义相对论建立过程中的物理思想史论文

长治学院学士学位论文1狭义相对论建立过程中的物理思想史专业：物理学专升本姓名：徐利春学号：10205632指导教师：张栓柱摘要：本文简要回顾了狭义相对论发现的历史，从概念到思维，由理论和方法，以及应用理解到归纳创新等方面，论述狭义相对论是爱因斯坦集之前诸多科学家的科学成果精品之作。表达了狭义相对论的发现是体现科学继承性的一个很好的典范。关键词：爱因斯坦创新狭义相对论1、引言爱因斯坦于1905年6月向德国的《物理年鉴》(AnnalenderPhysik)发表了论动体的电动力学》论文，这种理论依据的两条原理分别是力学相对性原理和光速不变性，标志着爱因斯坦创立了狭义相对论，使电磁场理论和经典力学得到了统一，开创了物理学的新纪元。研究近代物理学史，深感狭义相对论是爱因斯坦科学创新的精美标本。但是纵观狭义相对论发现的历史，不难发现其是集之前多为伟大科学家研究成果之上的大成。狭义相对论的发现，无疑是爱因斯坦的创新，但其创新是继承性，所以在这个过程中必须体现出麦克斯韦、伽利略、洛伦兹等伟大科学家的功绩。这同样也是对科学研究继承性的尊重。本文追述了狭义相对论的发现过程，展示了狭义相对论的创新性是体现科学继承性的一个很好的典范。当然科学研究同样也需要另外一种推出出新的创新性，爱因斯坦的广义相对论为一个很好的典范，后文略有叙述。2、爱因斯坦之前的狭义相对论19世纪末期物理学家汤姆逊在一次国际会议上讲到“物理学大厦已经建成，以后的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两朵‘乌云’，麦克尔逊－莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。”正是为了解决上述两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。长治学院学士学位论文2早在电动力学麦克斯韦方程建立之日，人们就发现它没有涉及参照系问题。人们利用经典力学的时空理论讨论电动学方程，发现在伽利略变换下麦克斯韦方程及其导出的方程（如亥姆霍兹，达朗贝尔等方程）在不同惯性系下形式不同，这一现象应当怎样解释？经过几十年的探索，在1905年终于由爱因斯坦创建了狭义相对论。相对论是一个时空理论，要理解狭义相对论时空理论先要了解经典时空理论的内容。所以要认真看以下的内容，有利于对相对论的理解。2.1“以太”概念及绝对参照系2.1.1“以太”的概念在麦氏预言电磁波之后，多数科学家就认为电磁波传播需要媒质（介质）。这种介质称为“以太”（经典以太）。“以太”应具有以下基本属性：（1）充满宇宙，透明而密度很小（电磁弥散空间，无孔不入）；（2）具有高弹性。能在平横位置作振动，特别是电磁波一般为横波，以太应是一种固体（G是切变模量ρ是介质密度）；（3）以太只在牛顿绝对时空中静止不动，即在特殊参照系中静止。在以太中静止的物体为绝对静止，相对以太运动的物体为绝对运动。引入“以太”后人们认为麦氏方程只对与“以太”固连的绝对参照系成立，那么可以通过实验来确定一个惯性系相对以太的绝对速度。一般认为地球不是绝对参照系。可以假定以太与太阳固连，这样应当在地球上做实验来确定地球本身相对以太的绝对速度，即地球相对太阳的速度。为此，人们设计了许多精确的实验（包括爱因斯坦也曾设计过这方面的实验），其中最著名、最有意义的实验是迈克尔逊——莫雷实验（1887年）。2.1.2光行差现象光行差现象首先由J.Bradley于1727年报道的。长治学院学士学位论文3如图：[布喇德雷光行差现象](1728)a)地球相对与该恒星静止。b)地球相对与该恒星与恒速率运动。C)太阳相对于以太是静止的布喇德雷对天龙座γ星进行了一年的观测得到的结论是：以太相对于恒星静止。或者说：以太完全不被地球所拖拽。2.1.3麦克尔孙——莫雷实验实验目的长治学院学士学位论文4寻找电动力学规律成立的绝对参考系，即与以太静止的参照系。实验假设：1．假定电磁场方程在绝对惯性系中严格成立（地球上认为近似成立）。2．在“以太”中光速各项同性，且恒等于C，而在其它参照系中，光速非各项同性（由伽利略变换可知（3）假定太阳与以太固连，地球相对于以太的速度就应当是地球绕太阳的运动速度。实验结果干涉条纹移动上限为0.01个，这样反推出地球相对以太速度大约为：0。以后又做了许多实验，结果相同。可以认为条纹没有移动，即地球相对以太静止。（后来的许多次类似实验，精度越来越高。）。这一结果引起很大轰动。所以，光行差现象和迈克尔孙－莫雷实验表明光速与参考系的运动无关。于是否定了以太假说。2.2从哥白尼到“舟行不觉”的伽利略相对性哥白尼在16世纪中期提出日心说。尽管较之极其繁琐的托勒密地心说完美而简单，既符合毕达格拉斯匀速圆周运动思想和亚里士多德物理学的宇宙几何学说，又试图以日心说的和谐证明上帝存在，但哥白尼认为太阳是宇宙中心，违背圣经、触及上帝权威，仍被视为异端。17世纪初，天主教会宣布禁令。布鲁诺支持哥白尼，且并不以为太阳是中心，主张宇宙无限、不存在中心，1600年被活活烧死。赞同哥白尼学说的伽利略也受到严重迫害。亚里士多德一托勒密体系的维护者竭力在学术上反对日心说，一个重要理由是：如果地球在高速运动，为什么人们感觉不到?对此伽利略做了回答，伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，得到许多重要结果，在名著关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话(1632年)和((关于两门新科学的对话(1638年)中，做了系统的总结。在第一部对话中，伽利略写道：“把你和你的朋友关在一条大船甲板下的主舱里。⋯⋯在仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速、不要左右摆动，你会发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定船是在运动，还是停着不动；即使船运动得相当快⋯⋯。”他论证了极为重要的道理：从平稳行驶的船中发生的任何“事情”，无法判长治学院学士学位论文5断船是在平稳匀速运动还是静止不动。驳斥了地心说对地动的非难。在第二部对话中，伽利略表述了另一重要结果。沿斜面AB滑下的物体，在B点以其得到的速度沿着斜面BC向上运动，则物体不受BC倾斜的影响仍将达到与A点相同的高度，只是需要的时间不同；当第二个斜面为既不上升、亦不下降的水平面时，物体将一直以已获得的速度永远向前运动。伽利略前进了一大步，认识到不受其他物体作用，物体可以运动不止，非常接近惯性定律.2.2.1伽利略相对性原理物理学具有方向的相对性原理，那么是否存在参考空间相对运动的相对性。即是否存在物理上等效并且彼此相对运动（惯性运动）的参考空间.1、伽利略相对性原理：对于不同的惯性系，力学规律是完全相同的。伽利略大船思想实验。yy’voo’x,x’zz’伽利略变换：ttzzyyvtxx牛顿运动定律在伽利略变换下是协变的。但是这个变换暗含了2个基本假设。2、绝对时空观①时间是绝对的：在经典物理中，一个事件的时间是这样确定的，其成立条件：第一，存在瞬时传播信号；第二，时钟的运动不影响他的快慢。只有这样，在不同惯性系中测量同一个事件的时间才是相同的。（假定不同惯性系中的时钟已经调整同步）②长度是绝对的：对于一个给定惯性系中静止的尺具有的长度，在相对于那个惯性系长治学院学士学位论文6作匀速直线运动的坐标系中，尺有相同的长度。绝对时空观在牛顿的《自然哲学的数学原理》中是这样说的:“绝对的真正的数学的时间，本质上是一种与外界物体无关的匀速流动”“绝对的空间，本质上是与外界无关的，是同一的和静止的，不动的”2.2.2牛顿力学的相对性原理：牛顿力学是物理学中最先系统地作为一门实验科学而发展起来的分支学科,主要内容归结为牛顿三大定律，并称牛顿惯性定律成立的参照系为惯性系，不同惯性系之间的坐标牛顿力学是物理学中最先系统地作为一门实验科学而发展起来的分支学科,主要内容归结为牛顿三大定律，并称牛顿惯性定律成立的参照系为惯性系，不同惯性系之间的坐标变换，通过伽里略变换来实现。设：k、kˊ为两惯性系，kˊ相对k以速度v沿x轴作匀速直线运动，某一事件（x、y、z、t）在牛顿力学中：1）质点的质量被假定为与运动无关，既在不同参考系中m=mˊ2）基于时间的绝对性及空间（杆长）绝对性，在不同惯性系中，作用在质点上的力应该相等，长治学院学士学位论文72.2.3经典电磁学所遇到的问题对伽利略变换，Maxwell方程组不是协变的。于是人们就认为Maxwell电磁理论不满足相对性原理。暗含：将伽利略变换同相对性原理等同起来。例：vvcc即在系中，电磁现象不再服从Maxwell的电动力学，从而认为Maxwell的电动力学没有绝对性，它仅在某一个特殊的惯性系中成立。20世纪以前，物理学家认为电磁波在以太中传播，在绝对静止的以太中真空中光速等于C;于是绝对静止的以太就充当了特殊惯性系（绝对静止参考系）的角色。经典电磁学的2个重要问题1.是否有以太，绝对静止参考系；2.Maxwell的电动力学是否有绝对性。2.319世纪末电磁学的辉煌成就和矛盾1864年，麦克斯韦建立了统一的电磁场理论——麦克斯韦方程组，由电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光波也是电磁波，提出了光的电磁学说，统一了电磁学和光长治学院学士学位论文8学。1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦电磁场理论取得了巨大成功。公式（1）为麦克斯韦方程组。（1）而且然而，电磁场的一些规律与牛顿力学理论相矛盾。（1）以太不存在的证明：迈克尔孙一莫雷实验，让一台干涉仪转动90度，观察干涉条纹是否移动。原理是：如果以太充满于整个空间，地球在绕太阳运动中，若以地球为参考，就会存在“以太风”，光线在不同方向运动的速度就会不同。因此，干涉仪中垂直等距的两臂中的光速将不同。当干涉仪转过9O度，其两臂互换方位时，两条光线的速度也发生互换，因而会发生干涉条纹移动现象。但实验结果没有观测到预期的条纹移动。（2）电磁场规律不满足伽利略相长治学院学士学位论文9对性原理。（3）在真空中电磁波的传播速度是一常量，且与光速值吻合。这与伽利略速度变换公式矛盾。（4）电子的质量随其运动速度的增加而变大。这与牛顿力学质量是常量的结论矛盾。2.4物理学家为解决上述矛盾的科学探索2.4.1洛伦兹假设上述矛盾使物理学家意识到，只有在理论上大胆背离经典物理学的传统观念，才有希望做出成功的解释。爱尔兰物理学家斐兹杰拉、荷兰物理学家洛伦兹研究电磁学理论后，认为传播光的媒质——以太是存在的。并先后提出了长度收缩假设(称为洛伦兹一斐兹杰拉收缩假设)，认为在以太中运动的物体沿其运动方向将会收缩一定倍数(其收缩倍数与后来爱因斯坦推导出的收缩倍数相同)。因此，在迈克尔孙一莫雷干涉仪中，沿着地球运动方向的“臂”都会发生收缩，所以干涉仪转过90度时，当然不会造成干涉条纹的移动了。洛伦兹还认为一切相对于以太运动的物体，沿着运动方向的收缩会导致物质原子结构的变形，是真实的物理效应。为了使电磁场规律满足伽利略相对性原理，1904年，洛伦兹由以太假说，修改了伽利略变换式，推出新的变换关系式一洛伦兹变换式。对于洛伦兹变换式中的时间公式的物理意义，洛伦兹用“局部时间”的概念解释，认为并不是真正的时间。为了解释电子质量随其运动速度增加而变大的关系，洛伦兹假设电子的质量起源于电磁，由电子的线度沿着运动方向收缩推出了电子质量与其运动速度之间的关系式(与后来爱因斯坦推出的电子质量公式形式相同)。2.4.2拉摩和马赫的尝试英国物理学家拉摩在1900年左右也推出了洛伦兹变换，发现了时间变慢公式，并提出必须抛弃以太的机械观念。奥地利物理学家马赫在著作《发展中的力学》中提出，根本不存在绝对空间和绝对运动，一切运动都是相对的。拉摩和马赫已经看出了牛顿力学理论体系的内在矛盾，但是他们都没有突破传统理念的束缚，没能建立新的理论。2.4.3彭加勒的贡献法国数学物理学家彭加勒在1905年之前已经接近了相对性原理和光速不变原理的提出。他引进了四维时空观念，提出物理定律对于洛伦兹变换应该具有不变的形式，推测真空中的光速是常数，而且可能是极限速度。1904年他在圣路易斯会议的报告中写道：长治学院学士学位论文10“应该构造一种完全新的动力学，那里的惯性随