《物理学史》word版

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1、物理学史4物理学史4物理学史4物理学史4物理学史4物理学史4[编辑]相对论亨德里克·安东·洛伦兹[编辑]相对论产生的历史背景迈克耳孙-莫雷实验对以太风观测的零结果表明，或者所有有关以太的理论需要修改，例如像洛伦兹那样引入长度收缩因子，这样会带来一系列的修补工作；或者认为以太存在的理论根本就不成立。其实早在1865年麦克斯韦就已经证明电磁波传播速度只和介质有关，1890年赫兹在研究电磁理论时也得出了电磁波波速与波源速度无关的结论。然而，这个结论显然是不符合伽利略变换的，这说明对于运动中的物体需要一种新的电动力学。洛伦兹曾经在维持以太存在性的前提下发展过这样一种电磁理论，这被称作洛伦

2、兹以太论。在这一理论中，以太和其他物质被严格区分开，以太是绝对静止的，这也是牛顿的绝对时空观的反映；然而有别于机械观的以太，洛伦兹的以太是一种"电磁以太"：洛伦兹假设电磁场是以太状态的体现，但他对此没有做更多的解释。洛伦兹用这一理论解释了塞曼效应，为此获得了1902年的诺贝尔物理学奖。1895年，洛伦兹给出了长度收缩的假设，并通过他的相关态定理提出了所谓"本地时"的概念[50]，运用这一概念他解释了光行差现象、多普勒频移和斐索流水实验。相关态定理是说相对于以太运动的观察者在他的参考系中观测到的物理现象应当和静止坐标系中的观察者看到的是相同的。本地时的概念在数学上相当于狭义相对论中

3、同时性的相对性，但在洛伦兹的理论中它只是一种数学上的辅助工具，没有实在的物理意义。同一年，洛伦兹引入了一组适用于麦克斯韦电磁理论在相对以太运动的坐标系中时空变换的方程，即洛伦兹变换，并于1899年和1904年对洛伦兹变换进行了补充和修正[53]，他的1904年的论文《以任意小于光速的系统中的电磁现象》给出的洛伦兹变换已经非常接近于现代的定义[54]。法国数学家、科学家昂利·庞加莱一直是洛伦兹观点的阐释者及批判者，1900年他对洛伦兹的本地时概念的起源作出了具有物理意义的解释[55]，即本地时来自不同坐标系间通过光速进行的时钟同步，这就是狭义相对论中同时性的相对性的概念。1904年

4、庞加莱在独立于爱因斯坦工作的情形下提出了相对性原理[56]：任何力学和电磁学实验都不能区分静止和匀速运动的任何惯性参考系，这条原理后来成为狭义相对论的两条基本原理之一。1905年6月5日，庞加莱在给洛伦兹的信中证明了洛伦兹于1904年论文中给出的电磁方程组不是洛伦兹协变的，并重新修正了洛伦兹变换的方程。庞加莱的这一组方程正是沿用至今的洛伦兹变换形式，也正是庞加莱此时首次将这一组方程命名为洛伦兹变换[57]。"洛伦兹建立的基本观点是，在一组特定的变换下电磁场的方程组形式并不(随坐标系)改变，我将这组变换称做洛伦兹变换："-昂利·庞加莱,《论电子的动力学》他证明了洛伦兹变换是最小作用

5、量原理的一个推论，并用群论的语言描述了洛伦兹变换，即洛伦兹群，这些内容都包含在他于1906年1月发表的论文《论电子的动力学》中[57]。爱因斯坦将洛伦兹和庞加莱称作相对论的先驱，他指出在他之前"洛伦兹已经认识到这种以他名字命名的变换对分析麦克斯韦方程组的重要作用，而庞加莱则做出了更深入的研究…"[58]。阿尔伯特·爱因斯坦[编辑]狭义相对论[编辑]论动体的电动力学德国犹太物理学家阿尔伯特·爱因斯坦于1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，而后于1901年获瑞士国籍。爱因斯坦首先在各种对以太风观测的零结果中猜想到以太的不存在性，并在对洛伦兹和庞加莱的理论的研究中发现了动体的电动力学导致

6、的光速不变性与原本的速度叠加原理的矛盾。对于这一矛盾，爱因斯坦声称是其好友米歇尔·贝索帮助他领悟到了解决方案，即同时性的相对性。1905年6月30日，爱因斯坦完成了划时代的著名论文：《论动体的电动力学》，并发表在同年9月的《物理年鉴》上[59]。在这篇论文中，爱因斯坦开头便指出了麦克斯韦电磁理论应用于动体时表现出的内在不对称性(引用了一个著名的理想实验--运动的磁体和导体问题来说明)，为同时性下了新的定义，从而引出了他的狭义相对论理论，这一理论基于两个基本公设(原文用词为"原理")："物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标

7、系中的哪一个并无关系。任何光线在"静止"的坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。"-阿尔伯特·爱因斯坦,《论动体的电动力学》第一条公设也就相当于庞加莱的相对性原理，第二条公设来自于从麦克斯韦理论推出的光速不变原理。爱因斯坦首先从这两条基本原理出发，从而可以推导出电动力学中坐标系的变换法则，即洛伦兹变换(这有别于洛伦兹首先从坐标变换规律出发的方法)。在洛伦兹变换的基础上，爱因斯坦很自然地在论文的动力学部分中推导出长度收缩、时间膨胀、速度的