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1、狭义相对论初探美国影片回到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，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
2、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
3、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
4、发现，由于c+uc，故有tt。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 (dd) 这么一个等式，所以t+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tt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
5、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？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
6、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
7、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。怎么能认为恰恰是地球相对于“以太”的速度总为零呢？难道地球是一个地位极其特殊的天体了吗？自从哥白尼之后，人们再也不能同意任何形式的地球是宇苗中心的观念了。因此，结论只能是：以太假说是不对的！除此之外还有诸多矛盾，由于知识所限，在此我们不能更好的阐明了。当惯性系中的运动速度与光速可比较时，经典牛顿力学已显得站不住脚跟，为了能解释这些现象，我们必须建立一个全新的理论体系，而相对论就在这些矛盾中蕴育而生了。二、 爱因斯坦的相对论首先，我们先得了解“相对”这个概念，相对在于这个世界是无处不在的，
8、我们先不用唯物辩证主义去证明这一点，举一个例子也许可以简单地说明这一点：哥白尼时代的一位知名作家拉克坦丘斯，他当时十分嘲笑的地球为圆形这一说法，并提出如果这样将出现“有的人脚在头之上”，“雨雪冰雹向上落地”的不可思议的现象。其实，我们现在看来这是十分可笑的理论，在地球表面上各点并没有统一的“上”和“下”的方向，但所谓“下”，都应是指向地心的。这就是“相对”的概念：并没有绝对的上与下。相对论是现代物理学的理论基础之一，是论述物质运动与空间时间关系的理论，在世纪初由爱因斯坦创立并和其他物理学家一起发展和完善，其分为狭义相对论和广义相对论两部分。狭义相对论于年创立，广义相对论于年完成。由于我们知识所
9、限，在此我们只讨论狭义相对论。1. 狭义相对论的重要组成：爱因斯坦的两大假设。爱因斯坦第一假设：所有惯性系都是平权的，在它们之中所有的物理规律都一样。运动和静止都是相对来说的。要说明一个物体的运动情况，必须选定另一物体作参照，这种用作参照来说明其它物体运动情况和位置的物体，通常叫做参照物体，也叫参照系。运动和静止都是相对而言的。但是，经典物理学认为存在着绝对静止状态。为了得到这样的状态，设想使一个物体尽可能远离那些可能作用于它的其它物体，作为参照系来观察和研究运动的特性。我们把这样的一个参照系叫做惯性系。如果在另一参照系里观察到的物体运动与我们在惯性系里观察到的物体运动方式不同，那么，我们就有
10、理由说，那个参照系本身是运动的。例如，在一列火车上，且火车以恒定速度开着。你如果上抛一物品你根本不用考虑由于火车的速度它是否会向后退，你只需要用与你在地面相同的动作抛就行。如果火车以恒定的速度沿直线开，控制物体运动的自然法则与静止地面上是一样的。我们称火车内部为一个惯性参照系。（“惯性”一词原指牛顿第一运动定律。惯性是每个物体所固有的当没有外力作用时保持静止或匀速直线运动的属性。）惯性系是一个静止或作匀速直线运动的系。爱因斯坦的第一假设使此类系中所有的物理规律都保持不变。 爱因斯坦第二假设：即在任何惯性系中， 真空中光速都相同， 与光源及观察者的运动状况无关。这是爱因斯坦在看到牛顿力学以及电磁
11、学（尤其是与光有关的现象）中暴露出的诸多矛盾，所提出此项假设。（可参照本文“矛盾”这一部分）2. 由爱因斯坦狭义相对论引出的违反常识的结论同时性的相对性什么是同时性的相对性？不同地方的两个事件我们何以知道它是同时发生的呢？一般来说，我们会通过信号来确认。为了得知异地事件的同时性我们就得知道信号的传递速度，但如何没法测出这一速度呢？我们必须测出两地的空间距离以及信号传递所需的时间，空间距离的测量很简单，麻烦在于测量时间，我们必须假定两地各有一只已经对好了的钟，从两个钟的读数可以知道信号传播的时间。但我们如何知道异地的钟对好了呢？答案是还需要一种信号。这个信号能否将钟对好？如果按照先前的思路，它又
12、需要一种新信号，这样无穷后退，异地的同时性实际上无法确认。不过有一点是明确的，同时性必与一种信号相联系，否则我们说这两件事同时发生是没有意义的。光信号可能是用来对时钟最合适的信号，但光速不是无限大，这样就产生一个新奇的结论，对于静止的观察者是同时的两件事，对于运动的观察者就不是同时的。我们设想一个高速运行的列车，它的速度接近光速。列车通过站台时，甲站在站台上，有两道闪电在甲眼前闪过，一道在火车前端，一道在后端，并在火车两端及平台的相应部位留下痕迹，通过测量，甲与列车两端的间距相等，得出的结论是，甲是同时看到两道闪电的。因此对甲来说，收到的两个光信号在同一时间间隔内传播同样的距离，并同时到达他所
13、在位置，这两起事件必然在同一时间发生，它们是同时的。但对于在列车内部正中央的乙，情况则不同，因为乙与高速运行的列车一同运动，因此他会先截取向着他传播的前端信号，然后收到从后端传来的光信号。对乙来说，这两起事件是不同时的。也就是说，同时性不是绝对的，而取决于观察者的运动状态。长度的相对性先让我们看看长度是如何测量的。通常测量一个物体的长度，总是要把物体与量尺放在一起，测量时量尺与被测量物体之间的位置保持固定，这样物体首尾两端所对应量尺上的刻度之差既为物体的长度。如果在测量物体时，物体与量尺之间的位置移动了，那么测得的结果就不准确了。这就要求在测量运动物体的首尾两端时要同时进行。那么怎样测量才算是
14、同时的呢？这里又涉及到时间的同时性概念，我们说这个测量是同时进行的，如果在被测物体首尾两端的两个观察者所用的时钟是同步的，并且在读取量尺上的读数时，两个时钟所指示的时间是一样的话。这样测量所得的结果与物体运动的速度无关。而我们通常所指的测量是由一个观察者同时对物体首尾两端进行的测量。当物体静止时，我们只需一个观察者即使在不同的时刻进行测量，其结果也不会有多大的影响。当所研究的对象是在空间小尺度范围内低速运动的物体时，从空间某一位置对物体首尾两端所做的测量可以近似地认为是同时的。但是当所研究的对象是在一个空间大尺度范围或高速运动的物体时，被认为是同时测量的两个端点就不一定是同时进行的了。我们知道
15、，光速是有限的，光在空间的运动是需要时间的。测量物体的长度时，只有当物体两端发出的光信号同时到达观察者所在的位置时，测量才能进行。由于物体远离观察者一端的光信号要晚于物体近端的光信号，所以测量开始的时间应以晚到的光信号为准，也就是说以物体近端接受到物体远端所发出的光时，我们才可以进行测量。当被观测的物体背离观察者运动时，物体远端所发出的光到达物体近端时，物体已经向远离观察者的方向移动了一段距离，所以测量的结果一定是长度缩短了。同理，当物体向着观察者运动时，物体远端的光到达近端时，物体已向观察者靠近了一段距离，在观察者看来，物体的长度是变长了。被观测物体的长度是伸长了还是缩短了，取决于观察者与被
16、观测的物体之间的距离是增加了还是减少了，物体长度变化的速率取决于被测物体运动的速度。 3. 洛伦兹变换上面的一系列讨论涉及到相对论的许多方面，但是它们有一个共同的问题，即我们总是需要从两个不同的参考系来考虑同一事件的地点和时间。不论是对于同时性的问题。还是缩尺、慢钟问题，我们都是既要弄清一个事件相对于参考系K的时间和地点，又要知道它相对于另一个参考系K中的时间和地点，而K和K之间有相对的匀速运动。因此，这些问题的实质就在于我们需要找到各个事件相对于参考系K的时间和空间坐标，与相对于另一个参考系K的时间和空间坐标之间的关系。倘若一个事件相对于参考系K的空间位置是x，y，z，时间坐标是t。则同一个
17、事件相对于另一个参考系K的空间坐标 x，y，z和时间坐标t应是多少？为了简单起见，我们假定 K与K仅仅在沿着x轴的方向有相对运动，运动速度为v （见图58）。根据光速不变原理和相对性原理，就可以得到（x，y，z）与（x，y，z）这两组坐标之间的变换关系，它是这就是著名的洛仑兹变换。 洛仑兹变换公式是狭义相对论运动学的核心。利用它可以自然地导出前面讨论过的各种相对论效应的定量关系。例如，一把静止时长度为Lo的尺子，当它相对于观察者以速度v运动时，其长度就成为L= Lo 1-v2/c2（缩尺效应）。同样，在静钟t时间内，相对于观测者以速度v运动的动钟所经过的时间为t=t 1-v2/c2（慢种效应）
18、。由于动钟具有慢钟效应，所以古代神话里的“天上方一日，地上已七年”将成为可能。对于洛仑兹变换，我们再说几句。在通常的条件下，物体的运动速度总是远小于光速的。因此，如果我们把光速C看成一个无穷大，则上述公式就变成这组关系通常称作伽利略变换。它是牛顿力学时空观的基础，利用伽利略变换立即可以推出时间间隔和物体长度的绝对性，而t=t就意味着同时性是绝对的。伽利略变换公式只是洛仑兹变换公式的一个近似。洛仑兹变换公式适用于更为广泛的范围。这也就是说，比起牛顿力学来，狭义相对论是对于自然界的更加正确的描写。 关于爱因斯坦的狭义相对论还有几点需要说明的：1、由伽利略变换发展到洛仑兹变换，再由洛仑兹变换反推到伽
19、利略变换，这些仅是数学形式上的变换，实际上爱因斯坦是通过独立的推导得出了和洛仑兹相同的变换式，但其物理意义和伽利略、洛仑兹的观点是大相径庭的。2、爱因斯坦的狭义相对论是建立在惯性系前提下的，我们现在知道：任何两个相对以速度V运动的惯性系，都会认为静止于对方系中的尺缩短了、时钟变慢了，但这种效应不是实质性的缩短和变慢，而仅是一种时空效应罢了。3、对于著名的一直争论不休的双生子佯谬问题：一对双生子A与B，A一直生活在地球（惯性系）上，B乘飞船做星际旅行，回来后，B将会比A年轻。这在粒子的实验中已被证实了，并且爱因斯坦早就弄清楚了这个问题。在这里，B由于来回星际旅行已不是一个惯性系的问题，所以我们不
20、能再用狭义相对论来解释这个现象了。三、 目前学术界对相对论的各种争议及我们的看法爱因斯坦说过：“科学没有永恒的理论，一个理论所预言的论据常常被实验所推翻。任何一个理论都有它的逐渐发展和成功的时期，经过这个时间以后，它就很快地衰落。”爱因斯坦的相对论已广泛运用于现代科学，而且其在证明过程十分严密。想轻易地推翻是不现实的。我们认为要完全推翻相对论，最好莫过于能推翻其两大假设。但介于现代的科学技术这的确有一定的困难。通过互联网对专业网站的资料查询，我们了解到了目前人们对相对论争议的几个焦点，下面是我们通过对资料的学习和整理，归纳出的几点看法：（1）有人认为洛伦兹变换是相对论的关键，只要从数学上证明该
21、变换是错误的，就能达到否定相对论的目的。应该指出相对论的前提是光速不变论，不触动光速不变论，就不能确立绝对时空观和排除相对时空观。（2）光速不变论包括两项原则，即光速在惯性系内是常量和光速与源速无关。因为光速在惯性系内是常量这一条有迈克尔孙实验的支持，相对论与反对者之间的争论在于光源与源速是否无关的问题上。作者对该实验的结果重新作了分析，指出该实验是否定光速与源速无关的实验。不过也有个别相对论反对者认为光速不变论的错误是第一条，不是第二条。理由是双星现象证明了光速与源速无关，迈克尔孙实验的精度不足以证明第一条原则，我认为近距离（分光）星由密集气体物质所包围，既不能作为否定也不能作为肯定第二条原
22、则的依据。至于迈克尔孙实验是否可靠的问题，不妨与各大学物理实验室联系，请求帮助解决，由实验结果作出裁定。 （3）关于超光速问题，如果光速与源速有关，在惯性系内光速应为常量，受光子加速的其它基本粒子不能超出光速。但从其它坐标系来看，光速既可能是c+v，也可能是c-v，超光速不是不可能的，其它基本粒子也是如此。 （4）关于以太的问题，现代科学的诸多发现也证实了宇宙件的确充满了一种看不见，摸不着，且能毫无痕迹透过任何绝大多数物质的暗物质。至于其到底是不是以太这就有待证明了。我们作为一个初学者，当然还没有资格去评论相对论的正确性或者反对者立场，因为我们涉及的知识面还是相当狭窄的，但通过学习，我们还是受
23、益匪浅，首先，我们认为相对论是个了不起的理论，因为它对以往的观念有一个很大的突破，改变了人们的时空观，当运动物体的速度接近光速时，长度、时间和质量已成了速度的涵数，究其原因，我们现在已知道是在于长度、时间的测量方法之上，如：同时性的相对性，我们如何得知同时发生的，是通过讯号而知的，长度的相对性对如何测量长度也是通过讯号，而这一讯号为光时，就因光速为C这一假说，并由此而推导出其诸公式。其次，相对论在高能粒子方面已有了成效，在天文学上，我们认为基于狭义相对论的光速不变原理，用高倍的望远镜观察的越远，能追溯的年代就越远，就越能看到几千万或几亿年前的宇宙边远处的景象。宇宙的起源和演化（包括地球），其各
24、个时期的所发出的光（或电磁波）若真的能被我们捕捉到，这对我们研究宇宙乃至地球的起源和演化是非常有意义的。当然每一个理论并不是永恒的，一个科学理论体系总是受制于所研究的时空范围，当我们的触角伸向更广袤的大宇宙及更微观的粒子世界之时，所有的理论都将会经受一次严峻的考验，同样的对于人类来说科学的新的曙光即将又一次展现在我们的面前，所以我们必须珍惜现在的时光，发奋学习，用我们的聪明才智去迎接一次次严峻的挑战！参考资料：普通物理学程守洙江之永高等教育出版社 新概念物理教程力学赵凯华 罗蔚茵 高等教育出版社改变世界的物理学复旦大学出版社电动力学郭硕鸿高等教育出版社黑洞与弯曲的时空赵峥著山西科学技术出版社花匠科普园地： http:/量子力学与相对论：http:/