《相对论、宇宙与时空》连载③——爱因斯坦与狭义相对论下

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1、万方数据第28卷第3期2009年3月大学物理COLLEGEPHYSICSVol_28No．3Mar．20097突破绝对时空观《相对论、宇宙与时空》连载③一爱因斯坦与狭义相对论(下)赵峥(北京师范大学物理系，北京l00875)正当洛伦兹等人忙于研究相对于绝对空间运动的原子，在运动方向上发生收缩时，其内部结构会如何变化，内部的电荷分布会如何改变，内部的作用力会呈现何种状态的时候，爱因斯坦发表了他的相对论(狭义相对论)．爱因斯坦不知道洛伦兹等人的工作，也没有注意迈克耳孙实验，他主要抓住的是斐索实验与光行差实验的矛盾．光行差与迈克耳孙实验的矛盾体现在运

2、动介质是否拖动以太上．光行差现象表明，作为介质的地球完全没有拖动以太；迈克耳孙实验则表明，似乎地球完全拖动了附近的以太．斐索实验研究了流水对光速的影响，其结论是作为介质的流水似乎部分地拖动了以太，但又没有完全拖动．这也与光行差现象认为运动介质完全不拖动以太的结论相冲突．爱因斯坦深受奥地利物理学家兼哲学家马赫的影响．马赫曾勇敢地批判占统治地位的牛顿的绝对时空观，认为根本就不存在绝对空间和绝对运动，一切运动都是相对的．爱因斯坦接受马赫相对运动的思想，认为以太理论和绝对空间概念应该放弃．他认为伽利略变换不等于相对性原理．他考虑了①麦克斯韦电磁理论(包

3、括光速c是常量的结论)，②相对性原理与③伽利略变换之间的矛盾．认为“光速不变”和“相对性原理”比伽利略变换更基本．他把“光速不变”看作一条基本原理，称为“光速不变原理”．“光速不变原理”不仅是说真空中的光速均匀各向同性，是一个常量c，更重要的是说在任何惯性系中测量，真空中的光速都是同一个常量c，与观测者相对于光源的运动速度无关。”。．爱因斯坦是在长时间的反复思考之后，才得出这一原理的．早在他的相对论论文发表之前一年多，他就认识到相对性原理和麦克斯韦电磁理论都是大量实验证实的理论，都应该坚持．但是麦克斯韦理论要求光速是一个常量，相对性原理又要求麦

4、克斯韦理论在所有惯性系中都成立，这就要求光速在各惯性系中都相同，都是同一个常量．这就是说，光速应该是与光源运动速度无关的常量(相对于光源静止和运动的惯性系测到的光速值应该相同)．天文学上对双星(由两个太阳构成的太阳系)的观测也支持光速与光源运动速度无关的看法．如果光速与光源运动速度有关，那么双星中向着我们运动的恒星与背离我们运动的恒星发出的光的速度将不同，这将导致我们看到双星轨道发生畸变，不再是椭圆，但我们看到的所有双星的轨道均未发生畸变．这表明双星发出的光，与它们(光源)的运动速度无关(图10)．A，，、?星系图10对双星轨道的观测但是按照人

5、们的日常观念，如果相对于光源静止的观测者测得的光速是c，那么以速度”向着光源运动的观测者测到的光速将是(c+秒)；而以速度”背离光源运动的观测者测到的光速将是(c一口)．爱万方数据56大学物理第28卷因斯坦觉得“这真是个难解之谜”．1905年5月的一天，他带着这一问题专门拜访了他的好友贝索(“奥林匹亚”科学院的一个成员)．经过一下午的讨论，爱因斯坦突然明白了，应该把光速不变(即光速与观测者相对于光源的运动速度无关)看作一条公理，也就是说，应把光速看作绝对的．而“光速的绝对性”又必将导致“同时”这个概念不可能是绝对的，而必须是相对的．爱因斯坦终于

6、完成了物理观念的重大突破，5周之后，爱因斯坦开创相对论的论文就寄给了杂志社【1“．贝索是一个一事无成者的典型．他一生都在听课、学习，课听了一门又一门，书学了一本又一本．他还喜欢与别人争论，反驳别人的意见，但从不想自己去完成一件独立的工作．这次与爱因斯坦的讨论，大大地启发了爱因斯坦，但他自己并未搞清启发了爱因斯坦什么．当爱因斯坦感谢他在讨论中帮助了自己时，他感到茫然．爱因斯坦在这篇创建相对论的划时代论文的最后感谢了贝索对自己的帮助和有价值的建议．贝索十分激动，说“阿尔伯特，你把我带进了历史．”爱因斯坦1922年在日本京都的一次演讲中曾提到，他与贝

7、索的讨论，使他认识到两个地点的钟“同时”，并不像人们通常想象的那样，是一个“绝对”的概念．物理学中的概念都必须在实验中可测量，“同时”这个概念也不例外．而要使“同时”的定义是可测量的，就必须对信号传播速度事先要有一个约定．由于真空中的光速在电磁学中处于核心地位，爱因斯坦猜测应该约定(或者说“规定”)真空中的光速各向同性而且是一个常量，在此基础上来定义异地时间的同时Ⅲ-．研究表明，在约定光速并承认光速的绝对性(光速不变原理)的基础上定义的“同时”将是二个相对的概念．我们看到，定义两个地点的钟同时，必须首先约定光速各向同性而且是一个常量．要在做相对

8、运动的所有惯性系中，都用对光速的同一个约定来定义异地时钟的“同时”，则必须假定光速是绝对的．爱因斯坦曾经与贝索等人一起阅读过庞加莱的《科学与假设》，该