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发信人: qpcwth (独翅鸟), 信区: Science
标  题: 伟大的相对论（五）
发信站: 哈工大紫丁香 (2002年06月08日12:06:37 星期六), 站内信件

五、相对论的基础及推导(上)
　　19世纪末，经典力学已经发展到了登峰造极的地步，牛顿绝对时
空观被当时的大量科学实验证实，经典力学对自然世界的物理现象描
述的如此之完美，以至于当时著名物理学家普朗克表示自己要献身物
理时，他的老师不无遗憾的对他说：“年轻人，物理学是一门已经完
成的科学，把一生奉献给物理学，实在是太可惜了。”
　　但是，随着电磁学的发展，随着科学实验手段的不断进步，科学
家们越来越多的对经典力学在时空关系上的解释产生疑虑。科学家们
发现，经典力学只能阐述物体在宏观世界里的运动，而对微观世界无
能为力。最矛盾的是，经典力学的绝对时空观无法解释光的各种现象，
也不能与电磁学统一起来，而这对于严谨客观的科学家们来说，是无
论如何也不能接受的事情。
　　相对论的基础，主要是建立在麦克斯韦的电磁学原理上。如同任
何一个理论一样，相对论的创建并非一朝一夕的事情，而是经历了艰
难困苦的反复思考和探索得出的结论。为了认识并了解相对论的基础
及其推导，我们有必要回顾一下经典力学对时空观的解释。
　　经典力学认为，在机械运动中，参考系可以影响物体的动能，但
与时间，空间无关。而伽利略变换式，使得一切牛顿定律，能量，动
量，角动量定理，能量守恒定律，在任何惯性系中都保持一致。
　　我们假定S'系相对S系以速度u沿x轴方向运动，x'与x在同一轴
上，且t=0时，O'与O重合(如下图):
　　根据经典力学对绝对时空观的阐述，运动质点P的位置与速度变化
遵从伽利略变换式，S系中OP与S'系中的坐标x'等价，而S'系中的O'P也
与S系中的x等价，因此我们可以推导出：
∵
y'=y ,
z'=z ,
t'=t ;
v'y=vy  ,
v'z=vz  .
∴
△x'=x'2-x'1=(x2-ut)-(x1-ut) ,
    =x2-x1 ,
    =△x ,
△t'=△t .
　　这就是牛顿绝对时空观△t'=△t的描述。经典力学对绝对时空观的
阐述主要是根据常规经验的积累而得出的，在u〈c的状态下，经典力
学并没有出现漏洞。但是，当u=c时，也就是在对光的描述上，经典力
学却遇到了无法逾越的巨大障碍。
　　经典力学的绝对时空观首先无法解释麦克斯韦电磁学中关于电磁
波在真空中的速度问题。
　　电磁学中电磁波的速度为：
　　我们可以看出，这个公式中εo为真空介电常数，μo为真空磁导率，
这两个常数与参照系无任何关系，公式中也并没有考虑到不同参照系
的问题，但是所得出的结果，c=2.997 9394×108m/s却与实际实验观测
的c=299 792 458±1.2m/s极其接近，这显然与伽利略变换式相悖。
　　对光在不同参照系速度问题更深入的研究，来自艾伯特·迈克耳
孙和爱德华·莫雷两位科学家的光干涉实验。光干涉实验的原理，是
通过干涉仪对两束光干涉条纹的位置排列的记录，来证明光在不同参
照系中的不同速度。尽管实验精度为1/100条纹移动，尽管经过从19世
纪末到20世纪中期长达半个世纪的观测，实验的结果依然未发现条纹
的移动(零结果)。这实际上意味着，“以太”效应并不存在，也就是
说，光在所有参照系中的速度必定相同。经典力学对绝对时空观的阐
述被彻底动摇。

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心事浩茫连广宇,于无声处听惊雷

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