狭义相对论重要推论研究

关君

（新乡广播电视大学继续教育学院，河南新乡453003）

狭义相对论重要推论研究

关君

（新乡广播电视大学继续教育学院，河南新乡453003）

狭义相对论是相对论理论体系的基础，是由20世纪最伟大的物理学家阿尔伯特·爱因斯坦在1905年提出的，广义相对论则是在1915年提出的.狭义相对论主要是研究匀速直线运动的参照系（惯性参照系）之间的物理定理.笔者从爱因斯坦的理论体系根源和主要特征分析，深刻阐释狭义相对论的重要推论和他的具体表现.

爱因斯坦；狭义相对论；速度；质量；物理学

1 狭义相对论产生的历史背景

1905年的9月份，一位不出名的物理学家爱因斯坦在德国的一份叫作《物理学杂志》上，发表了一篇跨时代意义的论文，名字是《论动体的电动力学》，标志着狭义相对论的诞生.它和爱因斯坦在十年后建立的广义相对论一起，彻底的改变了当时传统的物理思维方式，进入到一个新的物理世界里.

1.1 伽利略的变换惯性参考系

伽利略在十七世纪初根据自己多年对物体运动的研究，提出了惯性定律并把参考系划分为了两大类，分别是惯性参考和非惯性参考.根据伽利略的观察和研究可得出，时间不和空间发生任何关系，各个惯性系之间有自身共同的时间，是一种绝对的时间观念.和它不同的是，在伽利略在实验中长度也是有所改变的，不是一成不变的.绝对的时间和绝对的长度是构成绝对时空的必要条件.之前的物理学界对这个理论没有怀疑但是证明这个定律还需要大量的实验去论证.

1.2 牛顿力学

牛顿是继伽利略之后的又以为物理学巨匠，牛顿的贡献在于总结了前人的智慧，并提出了自己的定律，建立了现代经典物理学的框架.牛顿力学是建立在惯性的基础上，并且在以上的惯性体系里，力学的规律都相差无几，这就是所谓的力学相对性原理.研究力学的角度也往往会从惯性出发，运用伽利略变换，把在一个惯性体系得出的结果，变换到另一个惯性体系中得到另一组结果.

1.3 电磁理论对物理学的冲击

等到19世纪时，随着电和磁力的应用，物理学界有了新的领域——电磁理论.这一理论是有法拉第和麦克斯韦提出并建立的，有力的冲击了由牛顿建立的经典力学的根基.首先是法拉利提出了“场”的概念，然后麦克斯韦在法拉利的基础上，对他的思想体系进行了系统地总结和完善提出了电磁场规律，也就是后来我们所熟知的麦克斯韦方程组.麦克斯韦的方程成功推导出了真空中电磁波的速度，这和实验得到光速C是向一致的，实验也有力的证实了这一结论.根据电磁理论我们知道真空中的光速等于真空中电磁波的速度且是一常量.可是，假如按照伽利略变换的方法将会面临这样的一个问题：到底是麦克斯韦电磁理论只对某一惯性成立，还是适用于所有惯性？

1.4 迈克尔孙-莫雷实验

在19世纪时期“以太”学说广泛的流传起来，这是一种随着光的波动理论发展逐步兴起的学说.由于当时人们普遍对光的性质了解的少，因此用机械波的概念去描述光，假设有一种能够传播光的介质，命名为“以太”.当下的很多物理学家对“以太”很执着，认为它是真实存在的.科学家为了去寻找“以太”做了大量的实验，这其中最著名的是迈克尔孙和莫雷的实验.科学家们提出假设，假如“以太”这种物质存在的情况下则实验会出现预期的现象，结果实验结果和假设不符，因此得到的结果是“以太”不存在.

所有的结论和理念都无法使物理实验结果和天文观察的结果相一致，说明伽利略的变换体系、牛顿的经典力学以及麦克斯韦电磁理论三者各有优缺但相互之间不协调.

2 狭义相对论的建立和狭义相对论的思想发展

爱因斯坦创立狭义相对论的成功之处除了他的辛勤研究和工作，还离不开他十分善于提取前人的思想中的精华部分，像马赫、休谟都是他学习和进步的目标.这些人身长除了科学知识外，最重要的都有一种敢于打破传统，挣脱传统束缚的精神，这对他今后从事研究工作起了很重要的作用.因为人们的思想很容易被旧有的观念束缚住，所以很多正确的带有跨时代意义的理论，都是在产生很长一段时间后才普遍被人接受的，可这并不影响爱因斯坦对科学的探索，反而成了他日后做研究的动力了.

2.1 狭义相对论的建立

和牛顿总结前人经验和思想一样，爱因斯坦也是在分析了前人的工作才得出了最终的结论.

爱因斯坦对伽利略的变换理论中的时间和空间的概念进行分析，发觉伽利略在进行变换过程中的牛顿时空观是没有试验根据的，只是伽利略单纯的一个推测，没有进行数据和科学的分析.19世纪奥地利著名的物理学家和哲学家恩斯特·马赫说过“凡不能由实验证实的概念和陈述,都不应在物理学中占有任何地位”，爱因斯坦基于这样的理念，果断的否定了被认为是“正确”的伽利略变换，由此遭到了当时很多物理学家的反对.伽利略变换是推测出的结果，而麦克斯韦电磁理论却是经过大量实验得出的，并且该理论和相对性原理保持着一致性，也由此得到了“物理定律在一切惯性系中都取相同形式”和“光在真空中传播的速度为C”两个重要的假设.根据这两个假设，爱因斯坦又利用洛伦茨理论，将时间坐标系引入到当中去，计算推到出相对论的时空属性，也就是运动的时间变短以及运动的距离缩短.除此之外他还推出了“任何惯性系中运动速度以光速为极限以及物质的质量随运动变换的”的结论.最终在1905年建立了我们熟知的狭义相对论.

狭义相对论的出现，使得20世纪的物理学有了一个质的飞跃，这个理论使得人们摆脱了牛顿的经典力学的束缚，进入到一个全新的物理世界里.

2.2 狭义相对论的思想发展

爱因斯坦之所以提出狭义相对论，很重要的原因是为了解决当时困惑着整个物理界的“以太之谜”，也就是迈克尔孙-莫雷实验的结果.他提出相对论不是像“无知者”那样，认为科学理念和技术来自灵感和炫目闪现.创新的人更需要经过长时间的酝酿，大量的实验计算，反复尝试和失败.爱因斯坦为了相对论也是潜心研究了十年之久，因此狭义相对论有着雄厚的思想基础，不容易被推翻.

爱因斯坦受物理学前辈马赫的影响最深，马赫曾在自己的物理学著作《力学史》中，公开对经典物理学叫板.这样的勇气和理念深深的影响了爱因斯坦，他在总结十九世纪物理学状况时是曾这样说的“上一世纪所有物理学家都把经典力学看作是全部物理学的,甚至是全部自然科学的牢固的和最终的基础,而且他们还孜孜不倦地企图把这一时期逐渐取得全面胜利的麦克斯韦电磁场理论也建立在力学的基础上”，这也和马赫当年的理念不谋而合了.爱因斯坦受马赫影响形成了两个主要的观点，分别是：理论不应该和经验事实相互矛盾；理论本身应该有内在的完备性.所有的物理学问题只要用这两个观点去审视，都会有新的发现.爱因斯坦用这两个观点分析前人建立的物理体系，发现了漏洞产生了怀疑，这也引导了他今后建立相对论.

爱因斯坦在他还是青年的时候就显示出了强大的逻辑思维能力，很早就接触了牛顿力学并对洛伦茨定理产生了极大的兴趣.随着研究的深入，他发现前人的观点有些部分是十分落后、陈旧的.因此，爱因斯坦提出的狭义相对论并不是一个偶然事件，他是建立在对旧理论的研究总结后，分析、概括的结晶，它和旧的理论有相似之处又不完全相同，有独到的见解和新颖的理念.

3 狭义相对论重要推论本质

在爱因斯坦的《论动体的电动力学》这篇文章中对相对论的相对性原理是这样阐述的：物理体系的状态据以变化的规律，同这些状态的变化时两个彼此做相对匀速移动的坐标系中的哪一个为参考，是无关的”.笔者将从三个方面阐述相对论的本质.

3.1 关于“相对论性原理”应该是一个还是两个的看法

爱因斯坦在1905年提出狭义相对论时是基于两点出发的，第一，相对性原理，第二，光速不变原理.在今后的物理学界，这两条原理一直饱受争议.原因是，第一条是第二条的充分不必要条件，那第二条原理有没有提出的必要性？事实上，爱因斯坦的对这个问题早就想到了.设两个物体在做匀速直线运动，他们的参考系分别是S和S’，然后在确定坐标{x}(x,t)和{x’}(x’,t’)这二者之间的变换关系，也就是进行洛伦茨变换，{x’}(x’,t’)本质上其实是{x’}相对于{x}的定义，或者是二者相反，由此可见，在洛伦茨变换中，常数C必须在数值上和物理意义上提前定下来，不然“相对性原理”就失去了意义.

通过计算和分析，我们可以得到这样结论，在当下，我们如果越要去掉“相对性原理”中的任何一条来规避“逻辑循环”的话，并不是武断的去掉其中之一，而是应该寻找新的原理.

3.2 质量关系的含义

狭义相对论中有一个著名的方程，被誉为“改变世界的方程”E=Mc2=Ek+mc2.这个公式的奇妙之处就在于，将各个静止的和运动的量有机的结合起来.M质量是静态的，C光速的是动态的，这样的一组关系告诉了我们：M的产生机制和EK这部分的产生机制不同，是相互“正交”的.另外，经分析m和P/C有着相同的起源，也就是他们的微观本质相同.我们可以根据量子场论，即在一个惯性体系内部，始终是保持了粒子的正反对称性，在不用洛伦茨公式变换形式的情况下，可以得质能关系E=Mc2=Ek+mc2，这也进一步论真出了该公式的对称性，也是狭义相对论的本质.

3.3 对CPT定理的理解

在这里，笔者需要指出的是“定理”和“定律”是不同的.定理中的每一个量都是相互独立且存在的.因此C、P、T三个变量都有自己明确的定义，这才会产生CPT定理，并且该定理也可以通过对场论和相对论的基本原理分析出它的正确性.此外，对于“定律”解释是，定律不是单纯从理论中证明出来的，而是经过大量的实验和归纳证实的.

任何科学都有它魅力，物理更是如此.所有的“可观察量”都依赖着某种不变性或者是动力学定律，相互联系、相互影响.这种联系一旦丧失了，这个物理量就不能称之为“可观察量”了.在爱因斯坦的相对论中，“E”该物理量有明确定义是因为能量守恒定律.在粒子高速运动的时候，粒子的质量可以忽略，因此F=ma牛顿经典力学里的公式就不适用了，只能利用能量守恒公式得到，m=1/2*d/dE*P^.

4 结语

通过上面的论证，我们可以得到，早在1905年的时候，洛伦茨等当时著名的物理学家已经离狭义相对论十分接近了，可是在传统的物理学思想的束缚之下没能够扩展一片新的理论体系，只是单纯的对原有的理论体系进行修复和补充.相比之下不同的是爱因斯坦，在如饥似渴地吸收了亲人大量的思想财富后，通过对经典理论体系的质疑和挑战，在当时大家都不相信的情况下创立了狭义相对论.真理都不是一定的，都有前提条件，当不适合条件的时候真理就成了谬论，爱因斯坦的狭义相对论建立在严密的思维逻辑下，虽然现在有的学者也提出了异议，但该理论也确实帮助我们打破了传统，进入物理新纪元.

〔1〕周方.狭义相对论时空变换——根本改造爱因斯坦狭义相对论.方志出版社，2010.

〔2〕刘辽，费保俊，张允中.狭义相对论.科技出版社，2008.

〔3〕张宗燧.电动力学及狭义相对论.北京大学出版社，2004.

〔4〕李醒民.激动人心的年代——世纪之交物理学革命的历史考察和哲学探讨.四川人民出版社，1983.

〔5〕爱因斯坦，洛伦茨，闵可夫斯基，等.相对论原理.北京科学出版社，1980.

〔6〕张元仲.狭义相对论实验基础.北京科学出版社，1979.

〔7〕（美）爱因斯坦.狭义与广义相对论浅说.2006.

〔8〕郭奕玲,沈慧君编.物理学史.清华大学出版社，2005.

O412.1

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1673-260X（2013）07-0012-03