愛因斯坦相對論的實(shí)質(zhì)

【專家解說】：一種新的時空觀 狹義相對論 special relativity 適用于慣性系，從時間、空間等基本概念出發(fā)將力學(xué)和電磁學(xué)統(tǒng)一起來的物理理論。1905年由A.愛因斯坦創(chuàng)建 。這個理論在涉及高速運(yùn)動現(xiàn)象時，同經(jīng)典物理理論顯示出重要的區(qū)別。 產(chǎn)生 到19世紀(jì)末，經(jīng)典物理理論已經(jīng)相當(dāng)完善，當(dāng)時物理學(xué)界較為普遍地認(rèn)為物理理論已大功告成，剩下的不過是提高計(jì)算和測量的精度而已。然而某些涉及高速運(yùn)動的物理現(xiàn)象顯示了與經(jīng)典理論的沖突，而且整個經(jīng)典物理理論顯得很不和諧:①電磁理論按照經(jīng)典的伽利略變換不滿足相對性原理，表明存在絕對靜止的參考系，而探測絕對靜止參考系的種種努力均告失敗。②似乎存在著經(jīng)典力學(xué)無法說明的極限速度。③電子的質(zhì)量依賴于它的速度。在這種形勢下，有見地的物理學(xué)家預(yù)感到物理學(xué)中正孕育著一場深刻的革命。愛因斯坦立足于物理概念要以觀察到的事實(shí)為依據(jù)，而不能以先驗(yàn)的概念強(qiáng)加于客觀事實(shí)，他考察了一些普遍的物理事實(shí)和經(jīng)典物理學(xué)中如運(yùn)動、時間、空間等基本概念，看出以下兩點(diǎn)具有根本的重要性，并把它們作為建立新理論的基本原理:①狹義相對性原理，不僅力學(xué)實(shí)驗(yàn)，而且電磁學(xué)實(shí)驗(yàn)也無法確定自身慣性系的運(yùn)動狀態(tài)，也就是說，在一切慣性系中的物理定律都具有相同的形式。②光速不變原理，真空中的光速對不同慣性系的觀察者來說都是c。承認(rèn)這兩條原理，牛頓的絕對時間、絕對空間觀念必須修改，異地同時概念只具有相對意義。在此基礎(chǔ)上，愛因斯坦建立了狹義相對論。 內(nèi)容 洛倫茲變換 根據(jù)相對性原理和光速不變原理，可導(dǎo)出兩個慣性系之間時空坐標(biāo)之間的洛倫茲變換。當(dāng)兩個慣性系S和S′相應(yīng)的笛卡爾坐標(biāo)軸彼此平行，S′系相對于S系的運(yùn)動速度v僅在x軸方向上，且當(dāng)t=t′=0時，S′系和S系坐標(biāo)原點(diǎn)重合，則事件在S系和S′系中時空坐標(biāo)的洛倫茲變換為 x′=γ(x-vt)，y′=y，z′=z，t′=γ(t-vx/c2)式中γ=(1-v2/c2)-1/2;c為真空中的光速。洛倫茲變換是狹義相對論中最基本的關(guān)系，狹義相對論的許多新的效應(yīng)和結(jié)論都可從洛倫茲變換中直接得出，它表明時間和空間具有不可分割的聯(lián)系。當(dāng)速度遠(yuǎn)小于光速 ，即v玞時，洛倫茲變換退化為伽利略變換，經(jīng)典力學(xué)是相對論力學(xué)的低速近似。 同時性的相對性 在某個慣性系中看來異地發(fā)生的兩個事件是同時的，那末在相對于這一慣性系運(yùn)動的其他慣性系看來就不是同時的，因此在狹義相對論中，同時性概念不再具有絕對的意義，只具有相對的意義。不僅如此，在不同慣性系看來，兩異地事件的時間順序還可能發(fā)生顛倒;但是具有因果聯(lián)系的兩事件的時間順序不會發(fā)生顛倒。同時性的相對性是狹義相對論中非常基本的概念，時間和空間的許多新特性都與此有關(guān)。 長度收縮 狹義相對論預(yù)言，一根沿其長度方向運(yùn)動速度為v的桿子的長度l比它靜止時的長度l0要短， l=l0 。 長度收縮不是物質(zhì)的動力學(xué)過程，而是屬于空間的性質(zhì)。它是由于測量一根運(yùn)動桿子的長度須同時測量其兩端，在不同慣性系中，同時性具有相對性，因而不同慣性系中得出的結(jié)果不同，只具有相對的意義。 時間延緩 狹義相對論預(yù)言，運(yùn)動時鐘的時率比時鐘靜止時的時率要慢。設(shè)在S??系中靜止的時鐘測得某地先后發(fā)生兩事件的時間間隔為Δτ，在S系中，這兩個事件不是發(fā)生在同一地點(diǎn)，須用校準(zhǔn)好的同步鐘測量，測得它們先后發(fā)生的時間間隔為Δt，Δτ=Δt＜Δt。時間延緩是同時性的相對性的結(jié)果，是時間的屬性，不僅運(yùn)動時鐘的時率要慢，一切與時間有關(guān)的過程如振動的周期、粒子的平均壽命等都因運(yùn)動而變慢。 速度變換公式 按照狹義相對論，當(dāng)S′系和S系相應(yīng)坐標(biāo)軸彼此平行，S′系相對于S系的速度v沿x方向，則質(zhì)點(diǎn)相對于S系的速度 u={ux，uy，uz}和相對于S??系的速度u'={u'x，u'y，u'z}之間的變換關(guān)系為 當(dāng)u玞時，相對論速度變換公式退化為伽利略速度變換公式。 相對論多普勒頻移 設(shè)光源相對靜止時發(fā)射光的頻率為v0，當(dāng)光源以速度u運(yùn)動時，接收到光波頻率為v=0，狹義相對論預(yù)言， ，式中θ為光源運(yùn)動方向與觀測方向之間的夾角。與經(jīng)典的多普勒效應(yīng)不同，存在著橫向多普勒頻移，當(dāng)光源運(yùn)動方向與觀測方向垂直時，θ=90°，則 。橫向多普勒頻移是時間延緩的效應(yīng)。 質(zhì)速關(guān)系 狹義相對論預(yù)言，與經(jīng)典力學(xué)不同，物體的質(zhì)量不再是與其運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)的量，它依賴于物體的運(yùn)動速度。運(yùn)動物體速度為v時的質(zhì)量為，式中m0為物體的靜質(zhì)量，當(dāng)物體的速度趨于光速時，物體的質(zhì)量趨于無窮大。 關(guān)于狹義相對論中的質(zhì)量，還存在另一種觀點(diǎn)，認(rèn)為只有一種不變的質(zhì)量，即物體的靜質(zhì)量，無法明確定義運(yùn)動質(zhì)量。兩種觀點(diǎn)對于狹義相對論的基本看法上沒有分歧，只是對質(zhì)量概念的引入上存在分歧。后一種觀點(diǎn)在概念引入的邏輯嚴(yán)謹(jǐn)性上更為可取，而前一種觀點(diǎn)對于某些物理現(xiàn)象，如回旋加速器的加速限制、康普頓效應(yīng)以及光線的引力偏折等，作淺顯說明頗為有效。 質(zhì)能關(guān)系 狹義相對論最重要的預(yù)言是物體的能量E和質(zhì)量m有當(dāng)量關(guān)系，E=mc2。與物體靜質(zhì)量m0相聯(lián)系的能量E0=m0c2。質(zhì)能關(guān)系是核能釋放的理論基礎(chǔ)。 能量動量關(guān)系 狹義相對論中動量定義為 ，能量動量關(guān)系為。 極限速度與光子的靜質(zhì)量 真空中的光速c是一個絕對量，是一切物體運(yùn)動速度的極限，也是一切實(shí)在的物理作用傳遞速度的極限。從質(zhì)速關(guān)系可以看出一切以光速c運(yùn)動的物質(zhì)的靜質(zhì)量必為零，光子的靜質(zhì)量為零。 在狹義相對論中，牛頓定律f=ma的形式不再成立，它在洛倫茲變換下不能保持形式不變，因而它不滿足相對性原理而必須修改，代替的力學(xué)規(guī)律的形式是f=dp/dt，式中p為物體的動量。電磁場的麥克斯韋方程組和洛倫茲力公式f=q(E+u×B)在洛倫茲變換下形式保持不變，它們是狹義相對論的電磁規(guī)律。在狹義相對論中，動量守恒、能量守恒定律仍然成立，能量守恒包括了質(zhì)量守恒。 在經(jīng)典物理學(xué)中，物理定律總是表述為把時間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)分開來，洛倫茲變換表明時間坐標(biāo)和空間坐標(biāo)應(yīng)作統(tǒng)一處理。H.閔可夫斯基發(fā)展了狹義相對論的形式體系，采用在四維時空中表述物理定律和公式。這樣的表述，相對論的協(xié)變性質(zhì)表達(dá)得更為明晰，物理定律的形式更為簡潔，許多問題的求解也更為簡便。 意義 狹義相對論經(jīng)受了廣泛的實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，所有的實(shí)驗(yàn)都沒有檢測到同狹義相對論有什么不一致的結(jié)果。狹義相對論是基礎(chǔ)牢靠、邏輯結(jié)構(gòu)嚴(yán)謹(jǐn)和形式完美的物理理論。廣泛應(yīng)用于許多學(xué)科，和量子力學(xué)成為近代物理學(xué)的兩大理論支柱。在現(xiàn)代物理學(xué)中，成為檢驗(yàn)基本粒子相互作用的各種可能形式的試金石，只有符合狹義相對論的那些理論才有考慮的必要，這就嚴(yán)格限制了各種理論成立的可能性。