相对论的产生及讨论

摘 要：相对论是现代物理学和当代高科技发展的重要基础。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远影响。相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。相对论是关于时间和空间的学说，它的创立不是始于对牛顿绝对时空观的批判，而是由于对运动媒质中的电磁现象的研究引起的。“媒质”在当时称为“以太”。它有各种模型，因此相对论的建立和“以太”是密切相关的，也是和在以太（静止和运动）中光速的测定有密切的关系。

关键词：以太;狭义相对论;时间与空间;广义相对论

一、神秘的以太

“以太”的提出，是为了解释光在真空中以及高速的空间中都能传播这一事实。当时，认为光必须有一个载体才能传播，而这种载体当光在真空中传播时显得更为重要。为了解释真空不空，笛卡儿于17世纪第一个提出“以太”假说，并把“以太”描述为：以太是充满整个空间的一种物质，真空中没有空气，但却有这种无所不入的“以太”。

18世纪，由于牛顿力学的建立，提出了超距作用的观点，这观点无需“以太”作为媒介，而认为力是超距作用的，因此“以太”也随之被遗弃。

至19世纪上半叶，当光具有波动性被大多数物理学家承认时，“以太”假说又获得了新的支持。于是19世纪末的物理学界，牢固地确立了一种思想：认为有一种到处存在的以太，作为传播光的基础，而且还把它当作一种绝对静止的参考系。于是出现了观察相对于以太的运动的问题，物理学家为了寻找以太，做了许多实验，例如：光行差实验，斐索实验，迈克尔逊-莫雷实验等。

由这些实验结果可以认为，光在以太媒质中传播的以太学说不能圆满解释所有观察到的有关实验事实。特别是精确度极高的迈克尔逊-莫雷实验向以太学说赖以建立的牛顿绝对时空观提出了严重的挑战，由此被开尔文看作为经典物理晴朗天空中的一朵乌云。

二、狭义相对论

在爱因斯坦16岁时就开始思考这样一个问题：“如果我以速度c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这条光线就好像一个在空中振荡着而停滞不前的电磁论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。爱因斯坦对这个问题的思考经历了很长的过程。他得知迈克尔逊-莫雷实验的零结果，认识到地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。如果迈克尔逊的零结果是正确的，那么地球相对于以太运动的想法就是错误的，这成为引导爱因斯坦走向狭义相对论的第一步。

后来，他试图用洛伦兹方程讨论斐索的流水中光速实验。当时他坚信麦克斯韦和洛伦兹电动力学方程是正确的，但是进一步推算时，发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。

经过10年的思考，终于找到了解决问题的关键：对时间概念的分析，不可能绝对的确定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。在爱因斯坦发表的《论动体的电动力学》的文章中，爱因斯坦把相对性原理和光速不变原理放在一起作为基本出发点，称之为两条公设，这里也不需要特设的绝对静止的参考系，以此为出发点，推导出了时空变换关系，建立了一系列新的时空变换公式之后，又推导出了运动物体的“长度收缩”、运动时间的“时钟变慢”、同时性的相对性及新的速度合成法则等，形成一套新的时空观。爱因斯坦在《论动体的电动力学》中，推导出了电子质量随速度变化的关系和电子的动能公式，并由电子速度等于光速c时动能变为无穷大的结果，预言电子速度不可能大于光速。

狭义相对论虽然成功地打破了绝对参考系的优越地位，但却不得不保留惯性系的优越地位，仍然只适用于惯性参考系。另外，不可能以自然的方式把引力理论同狭义相对论结合起来。为了解决这些问题，促使爱因斯坦提出广义相对论，成为广义相对论的最基本思想。

三、广义相对论

爱因斯坦在1907年发表的论文《关于相对性原理和由此得出的结论》中提到了作为广义相对论基础的两个基本原理：等效原理;广义相对性原理。等效原理：一个均匀的引力场等效于一个不变的加速度。有了等效原理，通过“从理论上来考察那些相对于一个均匀加速度的坐标系而发生的过程，我们就获得了关于均匀引力场中各种过程的全部历程的信息”。取消了惯性系的极为优越的特殊地位，爱因斯坦提出广义相对论的第二条基本原理——广义相对性原理：自然规律同参考系的状态无关，相对性运动原理对于互相做加速运动的参考系也仍然成立。

广义相对论问题本质上是引力问题。爱因斯坦在广义相对论里，着重研究了引力问题。他系统的分析了牛顿关于引力问题的论述，认为如果把超距作用改为场的作用，就可以找到引力質量与惯性质量之间的必然联系。于是，爱因斯坦便从惯性质量与引力质量相等的等效原理出发，建立了引力场概念，最后通过复杂的运算推导出引力场方程，使得牛顿万有引力理论未能解决的问题获得了解决。爱因斯坦的引力场方程阐明了引力的本质。他把引力场看成是物质存在的一种特殊形态，它与物体之间的“接触作用”就是引力。其次，弄清了牛顿引力理论的适用范围，它只适用于低速运动的物体。在该范围里，广义相对论表现出与牛顿引力理论的结果一致;但物体的运动速度接近光速（强引力场），或者运动物体有转动时，牛顿的引力理论便出现误差，这是，只有广义相对论才能做出正确解释。因此，广义相对论揭穿了引力之谜。广义相对论的实验验证有：水星绕近日点的近动问题;光线在强引力场中的弯曲;光谱线的引力红移。

参考文献：

[1]青峰.简明物理学史[J].南京大学出版社：左健.

[2]霍裕平.普通物理学[J].陕西师范大学出版总社有限公司.

[3]刘佑昌.相对论并不神秘[J].清华大学出版社.

作者简介：

赵心雅（1997.7-）女，汉族，学生，黑龙江省宾县，单位： 郑州大学 物理工程工程学院，专业： 测控技术与仪器。