Physics 版 (精华区)

发信人: hailong (hi), 信区: Physics
标  题: 相对论的创立(1)(转载)
发信站: 哈工大紫丁香 (2001年03月31日18:37:33 星期六), 转信

【 以下文字转载自 hailong 的信箱 】
【 原文由 hailong 所发表 】

    19世纪末，经典物理学经历 200多年的发展取得了辉煌成就，达到了它全盛的“
黄金时代”。它以牛顿力学、麦克斯韦电磁理论和经典统计力学等为支柱，形成了完
整严密的理论体系，使得当时绝大多数物理学家都深信：物理学的大厦已经建立，基
本原理已牢固确立，后辈的工作只是修饰性的，无非在已知规律的小数点后面多添加
几位有效数字而已，主要是在于把这些原理应用于各种物理现象中去。
    然而，物理学的新发现却与经典理论存在尖锐的矛盾。
    在牛顿力学中，粒子运动的速度是遵从经典速度相加定理的，从不同参照系来描
述粒子的速度会得到不同的结果。而实验发现，给粒子任意多的能量也不能使它的速
率加到任意高，总存在一个极限速率——真空中的光速c。
    根据经典的速度相加原理，我们在考察光速时，应该考虑到光源相对于参照系的
速度，对于不同的参照系就应该有不同的光速，如果光源相对某个参照系是运动的话，
那么光速相对这个参照系来说就应该是光相对参照系的速度与光源相对这个参照系速
度的合成。遗憾的是，从实际观察到的现象来看却与以上结论相矛盾，实际观测说明
光速不变。
    在牛顿力学中，时钟运动起来以后，它的指针的速率是不会发生任何变化的，可
原子钟放到喷气式飞机上绕地球飞行一圈以后，飞机上的原子钟与地球上的原子钟相
比却变慢了。
    牛顿万有引力定律在揭示引力之谜过程中取得过成功，但在解释离太阳最近的一
颗行星—水星的运动时，却遇到了难以克服的困难。按照牛顿定律，水星绕太阳运动
的轨道应该是一个完整的椭圆，太阳位于这个椭圆的焦点上，可实际观测的结果却不
是这样。
    所有这些使得经典理论陷入了困境，这仿佛向人们预示物理学上的一场深刻的革
命即将到来。爱因斯坦提出的相对论完成了这次革命。
    从“以太”说起
    提起“以太”，早在2000多年前，古希腊哲学家亚里士多德就有过议论。他认为
物质是连续的，世界万物由水、火、土、空气4种元素组成，而“天”则是由第5种元
素“以太”组成。
    17世纪法国物理学家笛卡尔认为，宇宙中星球间的相互作用是靠“以太”传递的，
“以太”充满了宇宙空间，光的传播也是靠“以太”来传递的，如水动起涟漪、空气
传声波一样。
    18世纪由于牛顿力学的建立，提出了超距作用的观点，认为物体间的作用是一种
超距作用；空间、时间是绝对的，且与物质及运动无关，空间不存在什么“以太”。
因此，“以太”理论也随之走向没落。
    庆幸的是，在19世纪中，当光具有波动性被大多物理学家承认时，“以太”假说
又获得了新生。
    19世纪末，物理学界似乎已牢固确立了一种思想：“以太”是一种到处存在的、
能穿透一切的介质，它充满所有物质的内部和它们之间的空间。
    “以太”之所以有用，不仅在于它能解释电磁波、光波是怎样能跨越真空传播的，
还在于它是牛顿力学的绝对时空观的理想参照系。然而，物理学家发现光波是一种横
波，而只有固态媒质才能传播横波，显然，“以太”必须是固态而不能是气态和液态。
可是，行星在“以太”中运动时又不会受到丝毫影响，这确实有点太玄了!
    如果“以太”果真充满宇宙空间，那么，地球以每秒30公里的速度绕太阳运动，
必然会有一股“以太风”迎面吹来，也一定能测量出来。
    1887年，美国青年科学家迈克尔逊在化学家莫雷的帮助下，设计了一台“干涉仪
”，来证明“以太”的存在。这台仪器设计得真可谓是巧夺天工、灵敏异常，它能够
测量出极其微小的长度差，甚至可以测出植物每一秒钟的生长量。它利用一块镀膜的
半透射、半反射镜，将一束光分成两束，一束穿过镜面继续向前射去，另一束被镜面
反射到与前束垂直的方向，然后让两束光通过两面反射镜沿原路返回，最后进入目镜
中。由于光的干涉效应的缘故，这两束光只要到达目镜的时间有差别，就会引起干涉
效应，产生干涉条纹。
    迈克尔逊认为，如果地球是在静止的“以太”中运动，那么沿着地球运动方向的
一束光和垂直于此方向的另一束光在“以太”中的运动，就好像两个游泳者相对于河
岸进行横渡再返回原处，和顺流而下、逆流而上再返回原处一样的不同，另外，如果
将整个仪器转过90度，那么，这两束光所处的地位恰好互相对调，必将形成另一些干
涉条纹，或者说将使原来的干涉条纹有变动。然而，在地球上不同的地点，在一年四
季的所有日子，以及一天的白昼和夜晚的反复观测，却始终没有观测到预期的条纹移
动，实验结果为“零”。正所谓“上穷碧落下黄泉，两处茫茫皆不见。”
    迈克尔逊实验的“零结果”否定了绝对静止坐标的存在，同时对“以太”是否存
在也提出了怀疑，它强烈地冲击了牛顿力学的时空观，使得整个经典物理学大厦面临
倒塌的危险，从而震惊了整个物理学界。因此，致使许多物理学家在不同的时间（春、
夏、秋、冬），不同的地点(地下室、棚屋、高空等)，用不同的手段重复类似的工作，
企图拯救“以太”，前后历时近半个世纪。然而，这一切也同样是徒劳的，实验结果
为“零”。
    迈克尔逊一心射獐却得马，获得了违背原意的收获，这是科学史上典型的事与愿
违的实验。迈克尔逊实验的“零结果”，被汤姆生说成是经典物理学上空的“一朵乌
云”，由此而成为建立相对论的前奏，并成为相对论的有力证据。迈克尔逊由于这方
面的贡献而名扬天下，成为美国第一个获得诺贝尔物理学奖的人。
    可惜的是迈克尔逊本人否定相对论，而且不待他改变看法就离开了这个世界。
    相对论“出世”
    实验验证是物理学的生命线。迈克尔逊实验带来的事与愿违的结果，迫使人们必
须作出非此即彼的选择：要么地球不作绕日运动，要么根本就没有“以太”这种东西，
二者必居其一。
    科学家是信奉真理的，但要作出这样的选择需要极大的勇气。1905年，年轻的爱
因斯坦冲破旧理论的束缚，大胆地摒弃了牛顿的绝对时空观，向传统的物理学提出了
勇敢的挑战，明确表示：“光以太是多余的”，并把时间、空间同运动密切联系起来，
从一个完全崭新的角度出发，提出了相对论的两条基本原理：
    一是相对性原理——在所有的惯性系，物理学规律都是相同的，不存在一个优于
其他惯性系的绝对惯性系；
    二是光速不变原理——在所有的惯性系，真空中的光速不变，都是常量Ｃ。从而
彻底驱散了经典物理学上空的“一朵乌云”，创建了狭义相对论。以相对论时空观对
牛顿的绝对时空观进行脱胎换骨的改造，使经典物理学从此进入了一个新时代。
    相对论的提出是酝酿已久的。虽然在很大程度上是为了解决“以太之谜”，但是
实际上却是爱因斯坦统观经典物理的理论，进行长期、周密考虑的结果。
    爱因斯坦曾总结过19世纪的物理学状况，并对马赫的观点颇为欣赏。他曾在自述
中说：“马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。”
    马赫对牛顿时空观的批判深深地影响了爱因斯坦，并使他形成了两个观点：
    第一，理论不应和经验事实相矛盾；
    第二，理论本身应该具有“内在的完备性”。
    用这两个观点去度量当时物理学中所发生的问题，爱因斯坦看到把力学推广到电
磁学中引起的疑虑，也注意到牛顿力学需要有一个脱离开物体之外的绝对空间，同时
令人讨厌的还必须存在无限个相互作匀速平移运动的惯性系。这一切都引起了爱因斯
坦对经典力学的怀疑。就像热力学第一、第二定律的建立是在否定了永动机的可能性
之后一样，爱因斯坦认为要解决迈克尔逊实验的“零结果”第一系列问题，只有否定
一些陈旧的观念，冲破旧理论的束缚，才能建立起新的理论。
    相对论的创立就是在这一思想指导下实现的。
    
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