物理教学论文
摘 要： 狭义相对论是由爱因斯坦在前人的工作基础上创立的时空理论, 它是对牛顿时空观的一种修正和拓展, 从光速不变的原理出发, 重新建立的一种崭新的相对论时空观。
关键词： 爱因斯坦; 狭义相对论; 建立;
狭义相对论的诞生已经有100多年的历史了, 但是人们对狭义相对论的认识还是存在很大的不同, 谈论到狭义相对论感觉就像距离我们生活很遥远的事情, 狭义相对论的诞生使得人们对物理世界有了一个重新的认识, 并且使得人们对客观的物理世界有了一个更加准确的理解, 是对经典物理学在时空观上的一个修正。
1. 狭义相对论的建立背景
1.1、 惯性参考系和伽利略变换
在17世纪初期, 伽利略对物体的运动状态进行了长期的观测, 提出了惯性定律, 并且将参考系分为了惯性参考系和非惯性参考系两类。凡是相对于某一贯性参考系作匀速直线运动的参考系也是惯性参考系, 利用伽利略变换还可以进行不同惯性系之间的坐标变换, 并且在变换中时间与空间之间不发生关系, 各个惯性系的时间是一样的, 并且在变换中长度也是不变的。然而, 这种绝对的时空观是否正确还没有被别人怀疑过。
1.2、 牛顿运动定律和力学相对性原理
在伽利略之后, 牛顿建立的牛顿三定律和万有引力定律奠定了经典力学的基础, 并且在惯性系中建立的力学定律都是相同的, 称为力学的相对性原理。所以, 研究力学问题可以选择任何的惯性系。如果有必要, 也可以通过伽利略变换将一个惯性系得到的结果变换为另一个惯性系的结果。
1.3、 由电磁理论产生的问题
19世纪, 法拉第和麦克斯韦用全新的观点建立了电磁理论, 有力地冲击了经典力学的绝对时空观。麦克斯韦电磁理论推导出在真空中传播的电磁波的速度与实验测得的光速C恰好相等, 并且在实验中也得到了证实。因此, 根据电磁理论, 真空中的光速就是真空中电磁波的速度, 为一个常量, 但是根据伽利略变换, 如果一束光在惯性系K中的速度是C, 在相对于K系以速度V运动的惯性系K, 它的速度就不是C了, 如果光束传播方向与V同方向, 则光的速度是C-V, 反方向就是C+V。这就产生了问题, 麦克斯韦电磁理论是仅对某一个惯性系成立, 还是对所有的惯性系都能成立呢?
1.4、 迈克耳孙——莫雷实验
“以太”学说是19世纪流行的一种学说, 它是随着光的波动理论而发展起来的。由于当时人们对光的本性了解的太少, 因此套用机械波的概念, 想着一定有一种能够传播光波的弹性物质叫作“以太”, 并且有很多物理学家们都相信有“以太”的存在, 并把它看作无处不在的惯性系, 因此用实验验证“以太”的存在成为了许多物理学家追求的目标。为了能够找寻“以太”, 许多物理学家进行了大量的实验, 最出名的是迈克耳孙和莫雷进行的实验, 它们认为如果存在“以太”, 就会有相应的实验现象, 但是实验却一直没有得到相应的结果。还有许多物理学家做了好多工作来解释迈克耳孙-莫雷实验的结果来拯救“以太”, 但是, 没有一种理论可以协调整个实验和天文观测到的事实。因此, 这就出现了伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间的不统一性。
2. 狭义相对论的建立过程
面对伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间的不统一、不协调性, 爱因斯坦分析和总结了前人的工作, 认识到麦克斯韦电磁理论普遍成立, 并且真空中的光速是一个常量, 也就是说要求承认相对性原理的普遍意义。那么伽利略变换问题究竟出现在哪里了呢?爱因斯坦详细地分析了伽利略变换中的时间和空间概念, 他发现在伽利略变换中牛顿绝对时空观只是头脑中的一种抽象的推测, 并没有相关事实实验的支持。他支持奥地利物理学家马赫的思想, 认为“凡是不能够由实验验证的概念和陈述, 都不能入够在物理学中站住脚跟”。于是他一直坚持抛弃当时物理学家门捷列坚守的伽利略变换, 寻找新的与相对性原理和麦克斯韦电磁理论协调一致的时空变换, 做出了两个假设, 即物理定律在一切惯性系中都有相同形式和光在真空中的传播速度C是一个普遍适用的恒量, 由此他得到了洛仑兹变换, 并引入时间的坐标, 推导出了相对论的时空属性, 即运动的尺子缩短和运动时钟变慢, 还得到了在任何惯性系中运动的速度都是以光速为极限的, 和物质的质量是随着运动而变化的结论, 由此建立了狭义相对论, 摆脱了牛顿绝对时空观带来的束缚, 并且当物体在低速运动时, 洛伦兹变换就等同于伽利略变换, 相对力学又回到了牛顿力学, 因此相对力学是一种更加广泛和深刻的理论。
3. 狭义相对论建立的意义
3.1、狭义相对论是对牛顿力学绝对时空观的否决。在以往的力学中都是将牛顿力学作为理论基础的, 而牛顿时空观的基本思想是: (1) 时间是均匀的, 时间间隔是绝对的。 (2) 空间是各个方向同性的, 长度也是绝对的。 (3) 时间和空间是相互独立的。而且伽利略变换正是经典时空观的集中体现。狭义相对的出现否定了经典力学的时空观, 建立了相对论的时空观, 主要内容有: (1) 时间并非是绝对不变的, 而是具有相对性, 时间间隔的度量也是与参照系的运动状态有关。 (2) 空间也并非绝对不变, 也是具有相对性的, 空间间隔的度量也是与参照系的运动有关。 (3) 时间和空间是密切联系的。孤立的时间和空间是不存在的。洛伦兹变换就是对相对论时空观的具体体现。
3.2、狭义相对论将经典力学中质量绝对不变的观点进行了否决。即当物体在进行高速运动时, 其质量会随物体运动速度的变化而变化, 质量和速度关系式恰好清楚地解释了这种变化关系。
3.3、狭义相对论将牛顿力学中质量与能量互不相关的思想进行了否定。即认为质量与能量之间不是毫无关系的, 而是有着密切的联系, 质能表达式便是体现他们之间关系的铁证。
参考文献：
[1]吴大猷.理论物理第四册, 相对论[M]北京:科学出版社, 1983:11-17
[2]尤广建.爱因斯坦与相对论[M]北京:新时代出版社, 1985
[3]吴忠超.爱因斯坦的科学功绩[DB/O L]www.gmw.cn, 2004-05-01
[4]程守洙, 江之永.普通物理学, 北京:高等教育出版社, 2008