引起人們思考建立相對論的物理實(shí)驗(yàn)有那些？個說明什么問題？

【專家解說】：相對論是關(guān)于時空和引力的基本理論，主要由愛因斯坦(Albert Einstein)創(chuàng)立，分為狹義相對論(特殊相對論)和廣義相對論(一般相對論)。相對論的基本假設(shè)是相對性原理，即物理定律與參照系的選擇無關(guān)。狹義相對論和廣義相對論的區(qū)別是，前者討論的是勻速直線運(yùn)動的參照系（慣系參照系）之間的物理定律，后者則推廣到具有加速度的參照系中（非慣性系），并在等效原理的假設(shè)下，廣泛應(yīng)用于引力場中。相對論和量子力學(xué)是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大基本支柱。奠定了經(jīng)典物理學(xué)基礎(chǔ)的經(jīng)典力學(xué)，不適用于高速運(yùn)動的物體和微觀領(lǐng)域。相對論解決了高速運(yùn)動問題；量子力學(xué)解決了微觀亞原子條件下的問題。相對論顛覆了人類對宇宙和自然的“常識性”觀念，提出了“時間和空間的相對性”、“四維時空”、“彎曲空間”等全新的概念。 狹義相對論最著名的推論是質(zhì)能公式，它可以用來計算核反應(yīng)過程中所釋放的能量，并導(dǎo)致了原子彈的誕生。而廣義相對論所預(yù)言的引力透鏡和黑洞，也相繼被天文觀測所證實(shí)。 ■狹義相對論的創(chuàng)立 早在16歲時，愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進(jìn)的電磁波，他產(chǎn)生了一個想法，如果一個人以光的速度運(yùn)動，他將看到一幅什么樣的世界景象呢？他將看不到前進(jìn)的光，只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場。這種事可能發(fā)生嗎？ 與此相聯(lián)系，他非常想探討與光波有關(guān)的所謂以太的問題。以太這個名詞源于希臘，用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀(jì)，笛卡爾首次將它引入科學(xué)，作為傳播光的媒質(zhì)。其后，惠更斯進(jìn)一步發(fā)展了以太學(xué)說，認(rèn)為荷載光波的媒介物是以太，它應(yīng)該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間，并能滲透到通常的物質(zhì)中。與惠更斯的看法不同，牛頓提出了光的微粒說。牛頓認(rèn)為，發(fā)光體發(fā)射出的是以直線運(yùn)動的微粒粒子流，粒子流沖擊視網(wǎng)膜就引起視覺。18世紀(jì)牛頓的微粒說占了上風(fēng)，然而到了19世紀(jì)，卻是波動說占了絕對優(yōu)勢，以太的學(xué)說也因此大大發(fā)展。當(dāng)時的看法是，波的傳播要依賴于媒質(zhì)，因?yàn)楣饪梢栽谡婵罩袀鞑?，傳播光波的媒質(zhì)是充滿整個空間的以太，也叫光以太。與此同時，電磁學(xué)得到了蓬勃發(fā)展，經(jīng)過麥克斯韋、赫茲等人的努力，形成了成熟的電磁現(xiàn)象的動力學(xué)理論——電動力學(xué)，并從理論與實(shí)踐上將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來，認(rèn)為光就是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，從而將光的波動理論與電磁理論統(tǒng)一起來。以太不僅是光波的載體，也成了電磁場的載體。直到19世紀(jì)末，人們企圖尋找以太，然而從未在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以太。 但是，電動力學(xué)遇到了一個重大的問題，就是與牛頓力學(xué)所遵從的相對性原理不一致。關(guān)于相對性原理的思想，早在伽利略和牛頓時期就已經(jīng)有了。電磁學(xué)的發(fā)展最初也是納入牛頓力學(xué)的框架，但在解釋運(yùn)動物體的電磁過程時卻遇到了困難。按照麥克斯韋理論，真空中電磁波的速度，也就是光的速度是一個恒量，然而按照牛頓力學(xué)的速度加法原理，不同慣性系的光速不同，這就出現(xiàn)了一個問題：適用于力學(xué)的相對性原理是否適用于電磁學(xué)？例如，有兩輛汽車，一輛向你駛近，一輛駛離。你看到前一輛車的燈光向你靠近，后一輛車的燈光遠(yuǎn)離。按照麥克斯韋的理論，這兩種光的速度相同，汽車的速度在其中不起作用。但根據(jù)伽利略理論，這兩項的測量結(jié)果不同。向你駛來的車將發(fā)出的光加速，即前車的光速=光速+車速；而駛離車的光速較慢，因?yàn)楹筌嚨墓馑?光速-車速。麥克斯韋與伽利略關(guān)于速度的說法明顯相悖。我們?nèi)绾谓鉀Q這一分歧呢？ 19世紀(jì)理論物理學(xué)達(dá)到了巔峰狀態(tài)，但其中也隱含著巨大的危機(jī)。海王星的發(fā)現(xiàn)顯示出牛頓力學(xué)無比強(qiáng)大的理論威力，電磁學(xué)與力學(xué)的統(tǒng)一使物理學(xué)顯示出一種形式上的完整，并被譽(yù)為“一座莊嚴(yán)雄偉的建筑體系和動人心弦的美麗的廟堂”。在人們的心目中，古典物理學(xué)已經(jīng)達(dá)到了近乎完美的程度。德國著名的物理學(xué)家普朗克年輕時曾向他的老師表示要獻(xiàn)身于理論物理學(xué)，老師勸他說：“年輕人，物理學(xué)是一門已經(jīng)完成了的科學(xué)，不會再有多大的發(fā)展了，將一生獻(xiàn)給這門學(xué)科，太可惜了?！? 愛因斯坦似乎就是那個將構(gòu)建嶄新的物理學(xué)大廈的人。在伯爾尼專利局的日子里，愛因斯坦廣泛關(guān)注物理學(xué)界的前沿動態(tài)，在許多問題上深入思考，并形成了自己獨(dú)特的見解。在十年的探索過程中，愛因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經(jīng)過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學(xué)。愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的，但是有一個問題使他不安，這就是絕對參照系以太的存在。他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn)，所有人試圖證明以太存在的試驗(yàn)都是失敗的。經(jīng)過研究愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒有實(shí)際意義。于是他想到：以及絕對參照系是必要的嗎？電磁場一定要有荷載物嗎？ 愛因斯坦喜歡閱讀哲學(xué)著作，并從哲學(xué)中吸收思想營養(yǎng)，他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性。相對性原理已經(jīng)在力學(xué)中被廣泛證明，但在電動力學(xué)中卻無法成立，對于物理學(xué)這兩個理論體系在邏輯上的不一致，愛因斯坦提出了懷疑。他認(rèn)為，相對論原理應(yīng)該普遍成立，因此電磁理論對于各個慣性系應(yīng)該具有同樣的形式，但在這里出現(xiàn)了光速的問題。光速是不變的量還是可變的量，成為相對性原理是否普遍成立的首要問題。當(dāng)時的物理學(xué)家一般都相信以太，也就是相信存在著絕對參照系，這是受到牛頓的絕對空間概念的影響。19世紀(jì)末，馬赫在所著的《發(fā)展中的力學(xué)》中，批判了牛頓的絕對時空觀，這給愛因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天，愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點(diǎn)闡述了自己的看法，兩人討論了很久。突然，愛因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過反復(fù)思考，終于想明白了問題。第二天，他又來到貝索家，說：謝謝你，我的問題解決了。原來愛因斯坦想清楚了一件事：時間沒有絕對的定義，時間與光信號的速度有一種不可分割的聯(lián)系。他找到了開鎖的鑰匙，經(jīng)過五個星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對論呈現(xiàn)在人們面前。 1905年6月30日，德國《物理學(xué)年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學(xué)》，在同年9月的該刊上發(fā)表。這篇論文是關(guān)于狹義相對論的第一篇文章，它包含了狹義相對論的基本思想和基本內(nèi)容。狹義相對論所根據(jù)的是兩條原理：相對性原理和光速不變原理。愛因斯坦解決問題的出發(fā)點(diǎn)，是他堅信相對性原理。伽利略最早闡明過相對性原理的思想，但他沒有對時間和空間給出過明確的定義。牛頓建立力學(xué)體系時也講了相對性思想，但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運(yùn)動，在這個問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發(fā)展了相對性原理，在他看來，根本不存在絕對靜止的空間，同樣不存在絕對同一的時間，所有時間和空間都是和運(yùn)動的物體聯(lián)系在一起的。對于任何一個參照系和坐標(biāo)系，都只有屬于這個參照系和坐標(biāo)系的空間和時間。對于一切慣性系，運(yùn)用該參照系的空間和時間所表達(dá)的物理規(guī)律，它們的形式都是相同的，這就是相對性原理，嚴(yán)格地說是狹義的相對性原理。在這篇文章中，愛因斯坦沒有多討論將光速不變作為基本原理的根據(jù)，他提出光速不變是一個大膽的假設(shè)，是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的。這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太與電動力學(xué)問題的結(jié)果，他從同時的相對性這一點(diǎn)作為突破口，建立了全新的時間和空間理論，并在新的時空理論基礎(chǔ)上給動體的電動力學(xué)以完整的形式，以太不再是必要的，以太漂流是不存在的。 什么是同時性的相對性？不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發(fā)生的呢？一般來說，我們會通過信號來確認(rèn)。為了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度，但如何沒出這一速度呢？我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間，空間距離的測量很簡單，麻煩在于測量時間，我們必須假定兩地各有一只已經(jīng)對好了的鐘，從兩個鐘的讀數(shù)可以知道信號傳播的時間。但我們?nèi)绾沃喇惖氐溺妼昧四?？答案是還需要一種信號。這個信號能否將鐘對好？如果按照先前的思路，它又需要一種新信號，這樣無窮后退，異地的同時性實(shí)際上無法確認(rèn)。不過有一點(diǎn)是明確的，同時性必與一種信號相聯(lián)系，否則我們說這兩件事同時發(fā)生是沒有意義的。 光信號可能是用來對時鐘最合適的信號，但光速不是無限大，這樣就產(chǎn)生一個新奇的結(jié)論，對于靜止的觀察者同時的兩件事，對于運(yùn)動的觀察者就不是同時的。我們設(shè)想一個高速運(yùn)行的列車，它的速度接近光速。列車通過站臺時，甲站在站臺上，有兩道閃電在甲眼前閃過，一道在火車前端，一道在后端，并在火車兩端及平臺的相應(yīng)部位留下痕跡，通過測量，甲與列車兩端的間距相等，得出的結(jié)論是，甲是同時看到兩道閃電的。因此對甲來說，收到的兩個光信號在同一時間間隔內(nèi)傳播同樣的距離，并同時到達(dá)他所在位置，這兩起事件必然在同一時間發(fā)生，它們是同時的。但對于在列車內(nèi)部正中央的乙，情況則不同，因?yàn)橐遗c高速運(yùn)行的列車一同運(yùn)動，因此他會先截取向著他傳播的前端信號，然后收到從后端傳來的光信號。對乙來說，這兩起事件是不同時的。也就是說，同時性不是絕對的，而取決于觀察者的運(yùn)動狀態(tài)。這一結(jié)論否定了牛頓力學(xué)中引以為基礎(chǔ)的絕對時間和絕對空間框架。 相對論認(rèn)為，光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運(yùn)動的最大速度。由于相對論效應(yīng)，運(yùn)動物體的長度會變短，運(yùn)動物體的時間膨脹。但由于日常生活中所遇到的問題，運(yùn)動速度都是很低的（與光速相比），看不出相對論效應(yīng)。 愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎(chǔ)上建立了相對論力學(xué)，指出質(zhì)量隨著速度的增加而增加，當(dāng)速度接近光速時，質(zhì)量趨于無窮大。他并且給出了著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2，質(zhì)能關(guān)系式對后來發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導(dǎo)作用。 ■廣義相對論的建立 1905年，愛因斯坦發(fā)表了關(guān)于狹義相對論的第一篇文章后，并沒有立即引起很大的反響。但是德國物理學(xué)的權(quán)威人士普朗克注意到了他的文章，認(rèn)為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推動，相對論很快成為人們研究和討論的課題，愛因斯坦也受到了學(xué)術(shù)界的注意。 1907年，愛因斯坦聽從友人的建議，提交了那篇著名的論文申請聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的編外講師職位，但得到的答復(fù)是論文無法理解。雖然在德國物理學(xué)界愛因斯坦已經(jīng)很有名氣，但在瑞士，他卻得不到一個大學(xué)的教職，許多有名望的人開始為他鳴不平，1908年，愛因斯坦終于得到了編外講師的職位，并在第二年當(dāng)上了副教授。1912年，愛因斯坦當(dāng)上了教授，1913年，應(yīng)普朗克之邀擔(dān)任新成立的威廉皇帝物理研究所所長和柏林大學(xué)教授。 在此期間，愛因斯坦在考慮將已經(jīng)建立的相對論推廣，對于他來說，有兩個問題使他不安。第一個是引力問題，狹義相對論對于力學(xué)、熱力學(xué)和電動力學(xué)的物理規(guī)律是正確的，但是它不能解釋引力問題。牛頓的引力理論是超距的，兩個物體之間的引力作用在瞬間傳遞，即以無窮大的速度傳遞，這與相對論依據(jù)的場的觀點(diǎn)和極限的光速沖突。第二個是非慣性系問題，狹義相對論與以前的物理學(xué)規(guī)律一樣，都只適用于慣性系。但事實(shí)上卻很難找到真正的慣性系。從邏輯上說，一切自然規(guī)律不應(yīng)該局限于慣性系，必須考慮非慣性系。狹義相對論很難解釋所謂的雙生子佯謬，該佯謬說的是，有一對孿生兄弟，哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行，根據(jù)相對論效應(yīng)，高速運(yùn)動的時鐘變慢，等哥哥回來，弟弟已經(jīng)變得很老了，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)經(jīng)歷了幾十年。而按照相對性原理，飛船相對于地球高速運(yùn)動，地球相對于飛船也高速運(yùn)動，弟弟看哥哥變年輕了，哥哥看弟弟也應(yīng)該年輕了。這個問題簡直沒法回答。實(shí)際上，狹義相對論只處理勻速直線運(yùn)動，而哥哥要回來必須經(jīng)過一個變速運(yùn)動過程，這是相對論無法處理的。正在人們忙于理解相對狹義相對論時，愛因斯坦正在接受完成廣義相對論。 1907年，愛因斯坦撰寫了關(guān)于狹義相對論的長篇文章《關(guān)于相對性原理和由此得出的結(jié)論》，在這篇文章中愛因斯坦第一次提到了等效原理，此后，愛因斯坦關(guān)于等效原理的思想又不斷發(fā)展。他以慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比的自然規(guī)律作為等效原理的根據(jù)，提出在無限小的體積中均勻的引力場完全可以代替加速運(yùn)動的參照系。愛因斯坦并且提出了封閉箱的說法：在一封閉箱中的觀察者，不管用什么方法也無法確定他究竟是靜止于一個引力場中，還是處在沒有引力場卻在作加速運(yùn)動的空間中，這是解釋等效原理最常用的說法，而慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等是等效原理一個自然的推論。 1915年11月，愛因斯坦先后向普魯士科學(xué)院提交了四篇論文，在這四篇論文中，他提出了新的看法，證明了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動，并給出了正確的引力場方程。至此，廣義相對論的基本問題都解決了，廣義相對論誕生了。1916年，愛因斯坦完成了長篇論文《廣義相對論的基礎(chǔ)》，在這篇文章中，愛因斯坦首先將以前適用于慣性系的相對論稱為狹義相對論，將只對于慣性系物理規(guī)律同樣成立的原理稱為狹義相對性原理，并進(jìn)一步表述了廣義相對性原理：物理學(xué)的定律必須對于無論哪種方式運(yùn)動著的參照系都成立。 愛因斯坦的廣義相對論認(rèn)為，由于有物質(zhì)的存在，空間和時間會發(fā)生彎曲，而引力場實(shí)際上是一個彎曲的時空。愛因斯坦用太陽引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動中一直無法解釋的43秒。廣義相對論的第二大預(yù)言是引力紅移，即在強(qiáng)引力場中光譜向紅端移動，20年代，天文學(xué)家在天文觀測中證實(shí)了這一點(diǎn)。廣義相對論的第三大預(yù)言是引力場使光線偏轉(zhuǎn)，。最靠近地球的大引力場是太陽引力場，愛因斯坦預(yù)言，遙遠(yuǎn)的星光如果掠過太陽表面將會發(fā)生一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。1919年，在英國天文學(xué)家愛丁頓的鼓動下，英國派出了兩支遠(yuǎn)征隊分赴兩地觀察日全食，經(jīng)過認(rèn)真的研究得出最后的結(jié)論是：星光在太陽附近的確發(fā)生了一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。英國皇家學(xué)會和皇家天文學(xué)會正式宣讀了觀測報告，確認(rèn)廣義相對論的結(jié)論是正確的。會上，著名物理學(xué)家、皇家學(xué)會會長湯姆孫說：“這是自從牛頓時代以來所取得的關(guān)于萬有引力理論的最重大的成果”，“愛因斯坦的相對論是人類思想最偉大的成果之一”。愛因斯坦成了新聞人物，他在1916年寫了一本通俗介紹相對認(rèn)的書《狹義相對論與廣義相對論淺說》，到1922年已經(jīng)再版了40次，還被譯成了十幾種文字，廣為流傳。