狭义相对论初探

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1、狭义相对论初探摘要:本文是通过对爱因斯坦狭义相对论的学习后所谈的一些读后感：从相对论的提出到对基于相对论的时空变换而出现的慢钟和缩尺现象等违反常规现象的理解，以及对狭义相对论各种异议所谈的一些自己的看法。关键词:爱因斯坦相对论　洛伦兹变换光速不变美国影片《回到1872年》中，主人公不惜生命代价，回到过去拯救芝加哥市民的义举而击节赞叹时，你总会说："这是艺术家虚构的"。时光匆匆，岂能倒流？但是大千世界创造的奇迹却又明白无误地告诉我们，时光倒流竟会不可思议地发生。传言，随着前苏联的解体，一些机密文件不断面世，科学家查阅到其中也有时光倒流的内容。如在1971年8月的一天，

2、前苏联飞行员亚历山大·斯诺夫驾驶米格21型飞机在做例行飞行时，无意中"闯入"了古埃及。于是，他看到了金字塔建造的场面：在一望无际的荒漠中，一座金字塔巍然矗立，而另一座金字塔刚刚奠起塔基……。有来自北约的绝密报告：1982年，一位北约飞行员在一次从北欧起飞的飞行训练中，他的视野里，竟然出现了数百只恐龙，飞机竟然来到了史前非洲大陆。一位北约飞行员在飞行途中，"误入"第二次世界大战时期的德国战场。盟军和德军战机的飞行员都看见了他，他也看见了他们，仅仅1分钟后，他又回到了现实。诸如此类的事件在世界各地都有记载。多么的不可思议！一直听说爱因斯坦的相对论就是研究这方面内容的，所

3、以我们带着一份好奇去领略了一番改变了人类时空观的这一理论，由于学识所限，以下仅是我们粗浅的体会。一、矛盾的产生爱因斯坦说过："相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。"1.经典牛顿力学中速度合成的矛盾：根据光学知识，我们知道，我们之所以能看到某个物体，那是由于该物体发出的光或者它反射的光传到了我们眼睛里的缘故。（不发光、不反射也不吸收光的东西，是不能被看到的。）经典的一种矛盾是这样的：假设K及K'两个人在玩投球运动。K投球，K'接球。K'看到球是由于球反射的光到达了K'。当球在K手中静止时，如果球反射的光

4、的速度是C（相对于地面），而K与K'的距离是d，则K'看到K即将投球的时刻要比K本身即将投球的时刻晚t=d/c。当K刚刚将球投出去时。球速为u。如果光的运动满足经典力学的速度合成律，那么，这时球发出的光的速度应当大一点。是c+u（相对于地面）。因而，球发出的光在K和K'之间实际运动时间为t'=d/(c+u)。比较t和t'，就会发现，由于c+u＞c，故有t'＜t。意思是说，K'将先看到球飞出，而后才看到K的投球动作！另外，当球飞出后并向K'靠近的过程中，有d'使t"=d'/(c+u)，因为存在着d/(c+u)+d'/(c+u)=d/c(d'

5、+t"=t，也就意味着在某一时刻K'将看到两个球，一个是K即将投球的时刻的球，另一个则是正在向K'起飞来的一个球。也许由于光速是很大的，因而t、t'和t"都非常近于零。所以即使t'＜t对于人眼还是觉察不到的。然而若我们提高了实验精度还未看到这个现象发生的话，那么经典力学将会面临着岌岌可危的境地。2."以太"的失败：仔细观察一下在海面上行驶的船。就会发现，对一定的海面，由船激起的海浪的传播速度和海流的速度是一样的，它与船速无关。因此，自然会想到一种类比:光是在某种"海洋"中的波。它的速度只决定于这种"海洋"的性质。这就和经典力学不矛盾了。那么传播光的"海洋"是什么呢？

6、按当时的看法传播光的"海洋"被称为以太的物质。由于光线能到处传播，所以假定以太也充满整个宇宙。这种假想的以太除了起着光传播媒介的作用外，我们却看不见它，也不能用其它方式感知它。为了能说明光传播的种种特征，不得不要求以太有许多特殊性质。（如，既要求以太有极大的刚性以使光波速度能高达每秒30万公里，同时又要求它对运动物体不施加任何阻力。）由于，"以太"一说在当时有着绝对的地位。人们介于此说提出这样的疑问，地球在这"以太"之中如何运动着？以太中光速是一定的。那么，当接收者以一定的速度相对于以太运动，光相对于他的速度在不同方向应是不同的。假设在以太中地球一速率v运动按经典力

7、学的合成规律，对于地球参考系而言，沿前后两个方向，光的传播速率分别为c-v和c+v，沿垂直c方向，光的传播速率√──────V2+C2。如果能测量到这个差别，就支持了以太假说。虽然光速和地球速率的巨大差异，迈克尔孙巧妙地利用互相垂直的两束光的干涉来解决。1881年迈克尔孙用著名的干涉仪作了这类实验，没有结果。1887年迈克尔孙和莫雷又以更高的精确度做此实验，结果依然为零。因此，出路只有两条：一是地球相对于以太的速度总为零，一是以太假说不对。显然前一个答案是不能令人接受的。相对于太阳来说。地球有公转，还有自转，相对于银河系中心来说，还有太阳系本身的运动。怎么能认为