愛因斯坦49狹義相對論簡介 　　前麵的章節《愛因斯坦43-48》是嚴格按照愛因斯坦提出狹義相對論的論文《論動體的電動力學》的思路來闡述的，基本還原了愛因斯坦論文的本意，可能有些晦澀難懂，下麵花幾個章節的篇幅用現代的觀點通俗的闡述下有關狹義相對論的各種問題。 　　1、狹義相對論理論動機 　　早在1632年，伽利略就通過實驗指出：相對於慣性係做勻速直線運動的任一慣性係，力學規律是相同的。這一觀點在當時被廣泛接受，被稱為伽利略相對性原理。20世紀以前，物理學家的時空觀是絕對時空觀，反映不同慣性係之間時空坐標變換關係的公式是伽利略變換。伽利略相對性原理的數學表述自然是：在伽利略變換下，力學定律的形式不變。 　　對物理學家來說，伽利略相對性原理是不容質疑的，並且它是一個“管定律的定律”。凡是不滿足伽利略相對性原理的力學定律都是需要修改的。直到19世紀，電磁學迅速發展，電磁學規律可簡單地概括為麥克斯韋方程組。出乎意料地是：麥克斯韋方程組在伽利略變換下不是協變的。 　　對當時的部分物理學家而言，麥克斯韋方程組違反了伽利略相對性原理，最明顯的道路是：修改麥克斯韋方程組以得到一個滿足伽利略協變性的電磁學定律。對另一部分物理學家來說，麥克斯韋方程組同樣是被很多實驗證實的電磁學理論，也具有不可動搖的地位。一種方法是：犧牲伽利略相對性原理的普遍性，承認伽利略相對性原理隻適用於力學規律而不能被推廣到電磁學的物理範疇；堅持麥克斯韋方程組是正確的，隻不過麥克斯韋方程組中的光速c是電磁波相對一個特殊慣性係（當時稱為“以太”）的傳播速度，麥克斯韋方程組也隻在這一參考係下成立。因為“以太”是一個未經證實的猜測，這部分物理學家的首要任務是證實以太的存在，並證明電磁波相對以太參考係的傳播速度為c。但是，對此進行的霍克實驗、菲佐實驗和邁克爾遜－莫雷實驗對v/c的一階效應和二階效應的實驗結果之間卻相互矛盾，使物理學家難以自圓其說。 　　在那個時代，隻有愛因斯坦另辟蹊徑。首先，邁克爾遜－莫雷實驗的零結果使他堅信：真空中的光速與觀測者的速度無關，恒為c（提出光速不變原理）。這意味著麥克斯韋方程組在任何慣性參考係中都成立，無需修改；結合伽利略相對性原理，他猜測：任何物理規律（不管是電磁學規律還是力學規律）在慣性係下都是相同的（提出狹義相對性原理）。現在，麥克斯韋方程組不具有伽利略變換的協變性，這說明伽利略變換沒有正確地反映慣性係之間的時空坐標變換關係。因此，需要修改的是絕對時空觀和對應的伽利略變換。 　　阿爾伯特·愛因斯坦在分析了以太假說的矛盾後，於1905年在《論動體的電動力學》中提出了兩條基本原理：狹義相對性原理和光速不變原理，並據此建立了狹義相對論。 　　區別於牛頓的絕對時空觀，狹義相對論將時間和空間與觀測者視為一個不可分割的整體。相對桿和鐘分別靜止和勻速運動的觀測者，在測量同一根桿的長度以及比較同一個鐘的快慢時會得出不同的結論，這一現象被稱為“尺縮”和“鐘慢”效應，它們是狹義相對論的必然後果。 　　狹義相對論的核心不是相對性，而是保證物理規律的協變性。狹義相對論的數學表述是洛倫茲變換，幾何語言是時空圖。迄今為止，狹義相對論已經得到許多高精度實驗的支持。 　　2、理論內容 　　2.1基本原理 　　狹義相對性原理：任何真實的物理規律在所有慣性係中應形式不變。 　　光速不變原理：任意一個慣性係中的觀測者所測得的真空中的光速恒為c。 　　2.2時空觀 　　由兩條基本原理可嚴格地導出慣性係之間時空坐標變換的方程組，即洛倫茲變換。與伽利略變換不同： 　　（1）相對地麵靜止的S慣性係觀測到的同時事件在相對地麵勻速運動的S’係看來是不同時的，即同時的相對性。 　　（2）同一根尺子，相對尺勻速運動的觀測者比相對尺靜止的觀測者測量的桿長要短，即尺縮效應。 　　（3）同一個鐘，相對其勻速運動的觀測者發現這個鐘比相對其靜止的情況下走得要慢，即鐘慢效應。 　　（4）空間間隔和時間間隔是相對的（在慣性係變換下是改變的），但時空間隔（時空間隔△s=√|-（c△t）2+（△x）2+（△y）2+（△z）2|，是四維空間中的不變量，其地位大致相當於三維空間中的空間間隔。）在洛倫茲變換下是不變的（光速不變原理的直接要求）。 　　（5）S慣性係觀測到的先後發生的兩個事件在相對其勻速運動的S′係看來這兩個事件的先後順序可能是顛倒的。 　　（6）如果假定互為因果關係的兩個事件在任何慣性係下都不可顛倒因果順序，結合狹義相對論可知:任何信號的傳播速度都不可能超過真空中的光速c。 　　在牛頓的絕對時空觀中，時間與空間是絕對的，與觀測者的運動狀態無關，並且時間與空間是相互獨立的。現在，狹義相對論否定了這個觀點。時間與空間是相對的，在慣性係變換下，它們都可能改變；時間與空間是不可分割的整體，它們一起構成的時空間隔在慣性係變換下是不變的。 　　2.3對理論物理學的影響 　　在牛頓力學統治的時代，物理學家的主要研究對象是宏觀的力學係統，牛頓力學定律是在這一宏觀尺度上經驗總結和實驗推斷的結果。從電磁學現象的發現到狹義相對論的建立，找書苑 www.zｈａoshuyuａn.com 研究對象的尺度發生改變，問題實際上涉及到高速運動的微觀粒子。狹義相對論就是在這裡發揮巨大威力的。比如，德布羅意利用相對論能量動量關係提出了物質波假設和德布羅意關係，托馬斯考慮了相對論運動學效應後才給出正確的自旋軌道耦合相互作用。 　　在狹義相對論中，信號傳播的極限速度是光速，相互作用隻能是定域的，這一理念是愛因斯坦早期反對量子力學完備性的強烈理由。愛因斯坦的質疑推動了隱變量理論和貝爾不等式的檢驗，最終物理學家發現了量子力學的固有非定域特征。物理學家研究微觀世界，離不開量子場論，而量子場論是建立在量子力學和狹義相對論的基礎上的。 　　除了啟發和指導新理論，狹義相對論對物理學家思考問題的方式產生了深遠的影響。洛倫茲群反映連續的時空對稱性，它要求物理的拉氏量應具有時空轉動和空間旋轉不變性，這啟發物理學家去發現係統潛在的自由度和對稱性，如宇稱、同位旋、規範對稱性等。 　　2.4狹義相對論的困難 　　在創立狹義相對論以後，愛因斯坦認識到該理論存在兩個嚴重的困難： 　　a.狹義相對論在眾多的參考係中，承認了慣性參考係相比其他參考係具有優越性，物理學規律在所有慣性係中都是平權的；然而，慣性係本身卻無法被定義。 　　b.愛因斯坦無法將萬有引力定律納入狹義相對論的框架，萬有引力定律無法被修改為洛倫茲協變的形式。 　　通過對這兩個困難的思考，愛因斯坦最終創立了廣義相對論。