物理学史--相对论的建立与发展

相对论的建立和发展物理1101第3组一.历史背景二.狭义相对论的建立三.广义相对论的建立四.相对论的发展相对论是现代物理学的重要基石。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远影响。相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。一.历史背景1.1“以太漂移”的探索以太观念的提出可以追溯到古希腊时代，亚里士多德认为天体间一定充满着某种媒质。笛卡儿1644年发表的《哲学原理》中就引用了以太的观念。他认为“虚空”是不存在的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物质以太。在光的微粒说占上风的年代，以太理论曾受到压制。1800年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学说重新抬头。波动说的支持者把以太看成无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性“物质”。但是，直到19世纪还没有一个实验能直接证明以太的存在。以太漂移实验给出了否定结果。这些结果促使人们对以太和绝对坐标系的存在产生怀疑。1.2收缩假说的提出迈克耳逊-默雷实验的零结果发表后，爱尔兰物理学家费兹杰惹立即进行了思考。1889年，他向英国《科学》杂志投稿，写到：“唯一可能协调这中对立的假说就是要假设物体的长度回发生变化，其改变量跟穿过以太的速度与光速之比的平方成正比。”然而，由于《科学》杂志不久就停刊了，这篇稿件虽然发表但却鲜为人知，连费兹杰惹本人也不知道这篇稿件是否问世。两年后，费兹杰惹去世，只是由于他的学生特劳顿多次提到他的工作，人们才知道他比洛伦兹更早就提出了收缩假说。1892年，荷兰物理学家洛伦兹在《论地球对以太的相对运动》中独立地提出了收缩假说，并给出了严格的定量关系。二.狭义相对论的建立爱因斯坦（公元1879～1955年）出生于德国，有犹太血统，是20世纪最伟大的物理学家。爱因斯坦从小就是一个奇怪的孩子。他酷爱音乐，6岁时学习小提琴，14岁时已能登台演出。但上学时，教师说他智力迟钝，除数学外，历史、地理和语言成绩都很差，以致遭退学处分。他的教育主要靠家庭和自学。2.1爱因斯坦生平早在16岁（1895年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：“如果我以速度c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这样一条光线就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。不久爱因斯坦得知迈克耳孙-莫雷实验的零结果。他由此认识到，地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。他曾回忆说：“这是引导我走向狭义相对论的第一步。”后来，爱因斯坦读到了洛仑兹1895年的论文，对洛仑兹方程发生了兴趣。他试图用洛仑兹方程讨论斐索的流水中光速实验。当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的，但是进一步推算，发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。2.2爱因斯坦建立狭义相对论的过程经过十年的思考，终于在1905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。“是我在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮我摆脱了困境。那是一个睛朗的日子，我带着这个问题访问了他，我们讨论了这个问题的每一个细节。忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了这个难题。”不出五个星期，（1905年6月），爱因斯坦就写好了那篇历史性文献《论动体的电动力学》，1905年9月发表在著名的德文杂志《物理学年鉴》上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把相对性原理和光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在一起作为基本出发点。爱因斯坦明确指出：在他的理论里，以太的概念将是多余的，因为这里不需要特设的绝对静止参照系。爱因斯坦不是象洛仑兹那样，事先假设某种时空变换关系，而是以这两个公设为出发点，推导出时空变换关系。他非常简洁地建立了一系列新的时空变换公式之后，立即推导出了运动物体的“长度收缩”、运动时间的“时钟变慢”、同时性的相对性以及新的速度合成法则等等，由此形成一套崭新的时空观。由于人们的思想长期受到传统观念的束缚，一时难于接受崭新的时空观，爱因斯坦的论文发表后，在相当长的一段时间内受到冷遇，被人们怀疑甚至遭到反对。在法国，直到1910年几乎没有人提到爱因斯坦的相对论。在实用主义盛行的美国，最初十几年中也没有得到认真对待。迈克耳孙至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”，认为相对论是一个怪物。英国也不例外，在人们的头脑里以太的观念太深了，相对论彻底否定以太的必要性，被人们看成是不可思议的事。当时甚至掀起了一场“保卫以太”的运动。J.J.汤姆逊在1909年宣称：“以太并不是思辨哲学家异想天开的创造，对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少”。2.3狭义相对论被承认和接受的过程1911年美国科学协会主席马吉（M.F.Magie）说：“我相信，现在没有任何一个活着的人真的会断言，他能够想象出时间是速度的函数。”被爱因斯坦誉为相对论先驱的马赫，竟声明自己与相对论没有关系，“不承认相对论”。有一位科学史家叫惠特克（S.E.Whittaker）在写相对论的历史时，竟把相对论的创始人归于彭加勒和洛仑兹，认为爱因斯坦只是对彭加勒和洛仑兹的相对论加了一些补充。爱因斯坦是1922年获诺贝尔物理奖的。不过不是由于他建立了相对论，而是“为了他的理论物理学研究，特别是光电效应定律的发现”。诺贝尔物理奖委员会主席奥利维亚（Aurivillus）为此专门写信给爱因斯坦，指明他获奖的原因不是基于相对论，并在授奖典礼上解释说：因为有些结论目前还正在经受严格的验证。爱因斯坦的论文发表后，在相当长的一段时间内受到冷遇，被人们怀疑甚至遭到反对。普朗克和闵可夫斯基（H.Minkowski）可以说是支持相对论的代表。正是普朗克，当时作为《物理学年鉴》的主编，认识到爱因斯坦所投论文的价值，及时地予以发表。所以人们常说，普朗克有两大发现，一是发现了作用量子，二是发现了爱因斯坦。他的学生劳厄在1911年就致力于宣传相对论，大概也是受了他的影响。闵可夫斯基本是爱因斯坦的老师，1908年发表《空间与时间》一文，把空时-时间合并成四维空间，重新处理了相对论的基本方程，把洛仑兹变换看成是空间-时间四维坐标的变换。这样就可以使相对论的规律以更加简洁的形式表达出来。爱因斯坦在1907年写文章表示，相信狭义相对论是经得起考验的。果然，一年后布雪勒（A.H.Bucherer）用改进了的方法测电子质量，得到的结果与洛仑兹-爱因斯坦公式符合甚好。以后许多实验都证明，狭义相对论的结果是正确的。可是，观念的改变不是一朝一夕之事。1911年索尔威会议召开，由于爱因斯坦在固体比热的研究上有一定影响，人们才注意到他在狭义相对论方面的工作。只是到了1919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众瞩目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。三.广义相对论的建立狭义相对论建立以后，爱因斯坦并没有止步。他认为狭义相对论还有许多问题没有解决。例如：为什么惯性坐标系在物理学中比其他坐标系更为优越？为什么惯性质量随能量变化？为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度？刚刚经受住考验的狭义相对论，为什么一用到引力场中就遇到了矛盾？爱因斯坦感到极大的疑惑。经过一段时间的尝试，爱因斯坦在1907年认识到，“在狭义相对论的框子里，是不可能有令人满意的引力理论的。”3.1广义相对论的建立过程1907年，爱因斯坦发表第一篇有关广义相对论的论文：《关于相对论原理和由此得出的结论》，文中首次提出等价原理（等效原理）的假设，即：“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。”文中还提出了另一条基本原理，即广义相对性原理，他设想，相对性运动原理对于相互作加速运动的参照系也依然成立，他假设可以用一个均匀加速的参照系来代替均匀引力场。爱因斯坦研究广义相对论，经历了一个比建立狭义相对论还更漫长的探索道路。从1907年到1916年的九年时间，爱因斯坦先后发表了好几篇论文，使广义相对论逐步完备。他遇到的主要困难是缺乏合适的数学工具。1913年，爱因斯坦与格罗斯曼(M.Grossmann)合作，建立了引力的度规场理论，他们联名发表了《广义相对论和引力论》，系统地论述了广义相对论的物理原理和数学方法。他们引入了黎曼张量，把平直空间的张量运算推广到弯曲的黎曼空间。1915年，爱因斯坦连续发表了几篇有关广义相对论的论文。其中《用广义相对论解释水星近日点运动》第一次用广义相对论计算出了水星的剩余进动，并且声明：“在本文中我找到了这种最彻底和最完全的相对论的一个重要证明。”同年发表了《引力的场方程》，提出了广义相对论引力场方程的完整形式。1916年，爱因斯坦发表了《广义相对论的基础》，对广义相对论的研究作了全面的总结。在论文中，爱因斯坦证明了牛顿理论可以作为相对论引力理论的第一级近似，并且给出了谱线红移，光线弯曲，行星轨道近日点进动的理论预言。在广义相对论建立之初，爱因斯坦提出了三项实验检验，一是水星近日点的进动，二是光线在引力场中的弯曲，三是光谱线的引力红移。其中只有水星近日点进动是已经确认的事实，其余两项只是后来才陆续得到证实。60年代以后，又有人提出观测雷达回波延迟、引力波等方案。3.2.1水星近日点的进动1859年，天文学家勒维利埃（LeVerrier）发现水星近日点进动的观测值，比根据牛顿定律计算的理论值每百年快38角秒。1882年，纽康姆（S.Newcomb）经过重新计算，得出水星近日点的多余进动值为每百年43角秒。3.2广义相对论的验证1915年，爱因斯坦根据广义相对论把行星的绕日运动看成是它在太阳引力场中的运动，由于太阳的质量造成周围空间发生弯曲，使行星每公转一周近日点进动为：其中α为行星的长半轴，c为光速，以cm/s表示，e为偏心率，T为公转周期。对于水星，计算出ε=43/百年，正好与纽康姆的结果相符，一举解决了牛顿引力理论多年未解决的悬案。这个结果当时成了广义相对论最有力的一个证据。22222241Tce3.2.2光线在引力场中的弯曲1911年爱因斯坦在《引力对光传播的影响》一文中讨论了光线经过太阳附近时由于太阳引力的作用会产生弯曲。他推算出偏角为0.83(其实该结果有误,因为爱因斯坦当时只考虑到等价原理而没有考虑到太阳质量导致的空间几何形变，计算结果小了一半。)，并且指出这一现象可以在日全食进行观测。1919年日全食期间，英国皇家学会和英国皇家天文学会派出了由爱丁顿（A.S.FEddington）等人率领的两支观测队分赴西非几内亚湾的普林西比岛（Principe）和巴西的索布腊儿尔（Sobral）两地观测。经过比较，两地的观测结果分别为1.61±0.30和1.98±0.12。把当时测到的偏角数据跟爱因斯坦的理论预期比较，基本相符。通常物体的引力场都太弱，20世纪只能观测到太阳引力场引起的光线弯曲．太阳由于太阳引力场的作用，我们有可能观测到太阳后面的恒星，最好的观测时间是发生日全食的时候．1919年5月29日，发生日全食，英国考察队分赴几内亚湾和巴西进行观测，证实了爱因斯坦的预言，这是对相对论的最早证实。恒星太阳月亮地球星体星体无法观测黑洞光线在引力场中弯曲的一个必然推论是引力透镜问题。早在1920年爱丁顿就提出引力透镜效应可作为广义相对论的一种检验；星球的强引力场能使背后传来的光线汇聚，这种现象叫做引力透镜效应。3.2.3光谱线的引力红移广义相对论指出，在强引力场中时钟要走得慢些，因此从巨大质量的星体表面发射到地球上的光线，会向光谱的红端移动。爱因斯坦1911年在《引力对光传播的影响》一文中就讨论了这个问题。他以Φ表示太阳表面与地球之间的引力势差，v0、v分别表示光线在太阳表面和到达地球时的频率，得：260210c爱因斯坦指出，这一结果与法布里（C.Fabry）等人的观测相符，而法布里当时还以为