狹義相對(duì)論的基本原理

【專家解說(shuō)】：愛(ài)因斯坦狹義相對(duì)論 相對(duì)論是20世紀(jì)物理學(xué)史上最重大的成就之一，它包括狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論兩個(gè)部分，狹義相對(duì)論變革了從牛頓以來(lái)形成的時(shí)空概念，提示了時(shí)間與空間的統(tǒng)一性和相對(duì)性，建立了新的時(shí)空觀。廣義相對(duì)論把相對(duì)原理推廣到非慣性參照系和彎曲空間，從而建立了新的引力理論。在相對(duì)論的建立過(guò)程中，愛(ài)因斯坦起了主要的作用。 愛(ài)因斯坦是美籍德國(guó)物理學(xué)家。1914年任德國(guó)威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)和普魯士科學(xué)院院士，1933年因遭納粹政權(quán)迫害遷往美國(guó)，任普林斯頓高等研究院主任。1905年，在他26歲時(shí)，法文科學(xué)雜志《物理年鑒》刊登了他的一篇論文《論運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)》，這篇論文是關(guān)于相對(duì)論的第一篇論文，它相當(dāng)全面地論述了狹義相對(duì)論，解決了從19世紀(jì)中期開(kāi)始，許多物理學(xué)家都未能解決的有關(guān)電動(dòng)力學(xué)以及力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)結(jié)合的問(wèn)題。 提起狹義相對(duì)論，很多人馬上就想到鐘表慢走和尺子縮短現(xiàn)象。許多科學(xué)幻想作品用它作題材，描寫一個(gè)人坐火箭遨游太空回來(lái)以后，發(fā)現(xiàn)自己還很年輕，而孫子已經(jīng)變成了老頭。其實(shí)，鐘表慢走和尺子縮短只是狹義相對(duì)論的幾個(gè)結(jié)論之一，它是指物體高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，運(yùn)動(dòng)物體上的時(shí)鐘變慢了，尺子變短了。鐘表慢走和尺子縮短現(xiàn)象就是時(shí)間和空間隨物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而變化的結(jié)果。狹義相對(duì)論還有一個(gè)質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)速度而增加的結(jié)論。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高速運(yùn)動(dòng)的電子的質(zhì)量比靜止的電子的質(zhì)量大。 狹義相對(duì)論最重要的結(jié)論是使質(zhì)量守恒失去了獨(dú)立性。它和能量守恒原理融合在一起，質(zhì)量和能量可以互相轉(zhuǎn)化。如果物質(zhì)質(zhì)量是M，光速是C，它所含有的能量是E，那么E=MC^2。這個(gè)公式只說(shuō)明質(zhì)量是M的物體所蘊(yùn)藏的全部能量，并不等于都可以釋放出來(lái)，在核反應(yīng)中消失的質(zhì)量就按這個(gè)公式轉(zhuǎn)化成能量釋放出來(lái)。按這個(gè)公式，1克質(zhì)量相當(dāng)于9X10^3焦耳的能量。這個(gè)質(zhì)能轉(zhuǎn)化和守恒原理就是利用原子能的理論基礎(chǔ)。 在狹義相對(duì)論中，雖然出現(xiàn)了用牛頓力學(xué)觀點(diǎn)完全不能理解的結(jié)論:空間和時(shí)間隨物質(zhì)運(yùn)動(dòng)而變化，質(zhì)量隨運(yùn)動(dòng)而變化，質(zhì)量和能量的相互轉(zhuǎn)化，但是狹義相對(duì)論并不是完全和牛頓力學(xué)割裂的，當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)低于光速的時(shí)候，狹義相對(duì)論的結(jié)論和牛頓力學(xué)就不會(huì)有什么區(qū)別。 幾十年來(lái)的歷史發(fā)展證明，狹義相對(duì)論大大推動(dòng)了科學(xué)進(jìn)程，成為現(xiàn)代物理學(xué)的基本理論之一。 愛(ài)因斯坦于1922年12月有4日，在日本京都大學(xué)作的題為《我是怎樣創(chuàng)立相對(duì)論的?》的演講中，說(shuō)明了他關(guān)于相對(duì)論想法的產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程。他說(shuō):“關(guān)于我是怎樣建立相對(duì)論概念這個(gè)問(wèn)題，不太好講。我的思想曾受到那么多神秘而復(fù)雜的事物的啟發(fā)，每種思想的影響，在生活幸福論概念的發(fā)展過(guò)程中的不同階段都不一樣……我第一次產(chǎn)生發(fā)展相對(duì)論的念頭是在17年前，我說(shuō)不準(zhǔn)這個(gè)想法來(lái)自何處，但是我肯定，它包含在運(yùn)動(dòng)物體光學(xué)性質(zhì)問(wèn)題中，光通過(guò)以大海洋傳播，地球在以太中運(yùn)動(dòng)，換句話說(shuō)，即以太陽(yáng)對(duì)地球運(yùn)動(dòng)。我試圖在物理文獻(xiàn)中尋找以太流動(dòng)的明顯的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，藍(lán)天是沒(méi)有成功。隨后，我想親自證明以太相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)，或者說(shuō)證明地球的運(yùn)動(dòng)。當(dāng)我首次想到這個(gè)問(wèn)題的時(shí)候，我不懷疑以太的存在或者地球通過(guò)以太的運(yùn)動(dòng)?！庇谑牵O(shè)想了一個(gè)使用兩個(gè)熱電偶進(jìn)行的實(shí)驗(yàn):設(shè)置一些反光鏡，以使從單個(gè)光源發(fā)出的光在兩個(gè)不同的方向被反射，一束光平行于地球的運(yùn)動(dòng)方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在兩個(gè)反射光束間的能量差的話，就能用兩個(gè)熱電偶測(cè)出產(chǎn)生的熱量差。雖然這個(gè)實(shí)驗(yàn)的想法與邁克爾遜實(shí)驗(yàn)非常相似，但是他沒(méi)有得出結(jié)果。 愛(ài)因斯坦說(shuō):他最初考慮這個(gè)問(wèn)題時(shí)，正是學(xué)生時(shí)代，當(dāng)時(shí)他已經(jīng)知道了邁克爾遜實(shí)驗(yàn)的奇妙結(jié)果，他很快就得出結(jié)論:如果相信邁克爾遜的零結(jié)果，那么關(guān)于地球相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的想法就是錯(cuò)誤的。他說(shuō)道:“這是引導(dǎo)我走向狹義相對(duì)論的第一條途徑。自那以后，我開(kāi)始相信，雖然地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是，地球運(yùn)動(dòng)不可能通過(guò)任何光學(xué)實(shí)驗(yàn)探測(cè)太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是，地球的運(yùn)動(dòng)不可能通過(guò)任何光學(xué)實(shí)驗(yàn)探測(cè)出來(lái)?！?愛(ài)因斯坦有機(jī)會(huì)讀了洛倫茲在1895年發(fā)表的論文，他討論并完滿解決了u/c的高次項(xiàng)(u為運(yùn)動(dòng)物體的速度，c為光速)。然后愛(ài)因斯坦試圖假定洛倫茲電子方程在真空參照系中有效，也應(yīng)該在運(yùn)動(dòng)物體的參照系中有效，去講座菲索實(shí)驗(yàn)。在那時(shí)，愛(ài)因斯坦堅(jiān)信，麥克斯韋-洛倫茲的電動(dòng)力學(xué)方程是正確的。進(jìn)而這些議程在運(yùn)動(dòng)物體參照系中有效的假設(shè)導(dǎo)致了光速不變的概念。然而這與經(jīng)典力學(xué)中速度相加原理相違背。 為什么這兩個(gè)概念互相矛盾。愛(ài)因斯坦為了解釋它，花了差不多一年的時(shí)間試圖去修改洛倫茲理論。一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)。他在一個(gè)朋友的幫助下解決了這一問(wèn)題。愛(ài)因斯坦去問(wèn)他并交談?dòng)懻摿诉@個(gè)困難問(wèn)題的各個(gè)方面，突然愛(ài)因斯坦找到了解決所有的困難的辦法。他說(shuō):“我在五周時(shí)間里完成了狹義相對(duì)論原理?！?愛(ài)因斯坦的理論否定了以太概念，肯定了電磁場(chǎng)是一種獨(dú)立的、物質(zhì)存在的特殊形式，并對(duì)空間、時(shí)間的概念進(jìn)行了深刻的分析，從而建立了新的時(shí)空關(guān)系。他1905年的論文被世界公認(rèn)為第一篇關(guān)于相對(duì)論的論文，他則是第一位真正的相對(duì)論物理學(xué)家。