相对论的建立和发展

相对论的建立和发展主讲人：郑勇一、历史背景以太假说著名的以太实验光行差实验布拉德雷（1728），阿拉果（1810），爱里（1817）

部分曳引实验斐索（1851），霍克（1868），迈克尔逊--莫雷（1886），肯定了菲涅尔部分曳引假说

偏振面旋转实验法拉第(1945年发现)，玛斯卡特(1872)，瑞利(1902)，布雷斯（1905)，洛仑兹理论顶计有10-4的效应，实验未得到。

干涉仪实验迈克耳孙(1881)，迈克耳孙一莫雷(1887)，有利于斯托克斯完全曳引假说。以太实验的否定结果。促使人们对以太和绝对坐标系的存在产生了怀疑。19世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。1890年赫兹把麦克斯韦电磁场方程改造得更加简洁。他明确指出，电磁波的波速（即光速）C，与波源的运动速度无关。可见，从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触。

海因里希·鲁道夫·赫兹为了解决这些矛盾，洛仑兹在1892年一方面提出了长度收缩假说，用以解释以太漂移的零结果;另一方面发展了动体的电动力学。他假设以太是绝对静止的，从他的电磁理论推出了菲涅耳曳引系数。

随后，又在1895年与1904年先后建立一阶与二阶变换理论，他力图使电磁场方程适用于不同的惯性坐标系。然而尽管他的理论能够解释一些理象，(例如能解释为什么探测不到地球相对于以太的运动)，但却是在保留以太的前提下，采取修补的办法，人为地引入了大量假设，致使概念繁琐，理论庞杂，缺乏逻辑的完备性和体系的严密性。

亨德里克·安东·洛伦兹法国著名科学家彭加勒(Henri Poincare )对洛仑兹理论起过积极作用。他在1895年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。他提出了相对性原理的概念，认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化。规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式。

1904年彭加勒正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道:“根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”

亨利·庞加莱然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。他们已经走到了狭义相对论的边缘，却没有能够创立狭义相对论。历史的重任只能由没有传统思想抱负而有独立批判精神的年轻学者爱因斯坦来承担。

爱因斯坦庞加莱猜想1904年，庞加莱在一篇论文中提出了一个看似很简单的拓扑学的猜想：在一个三维空间中，假如每一条封闭的曲线都能收缩到一点，那么这个空间一定是一个三维的圆球。但1905年发现其中的错误，修改为：“任何与n维球面同伦的n维封闭流形必定同胚于n维球面。”后来这个猜想被推广至三维以上空间，被称为“高维庞加莱猜想”。庞加莱二、爱因斯坦创建狭义相对论的经过爱因斯坦，德国人，有犹太血统，1900年毕业于瑞士苏黎世工业大学，1901年入瑞士国籍，大学毕业两年后才在伯尔尼瑞士专利局找到技术员的工作。就在专利局工作期间，1905年头几个月一连发表了四篇重要论文，分别在辐射理论、分子运动论和力学与电动力学的基础理论等三个不同的领域提出了新的见解。《论动体的电动力学》一文更具有划时代的意义，文中第一次提出了崭新的时间空间理论，一举解决了光速的不变性与速度合成法则之间的矛盾以及电磁理论中的不对称等难题。爱因斯坦把这个理论称为相对性理论，简称相对论，后来又叫狭义相对论。

《论动体的电动力学》狭义相对论是爱因斯坦伟大的一生中取得的第一项重大成果，是他在前人的基础上经过长期的酝酿和探索才取得的。我们在学习相对论时，很自然要问，为什么是爱因斯坦而不是别人创建了狭义相对论?爱因斯坦受到过那些启发，抓住了什么关键，找到了什么突破口，才取得如此重大的成果的呢?根据爱因斯坦1946年写的《自述》和1922年在日本京都大学的讲演：《我是怎样创立狭义相对论的?》以及其它资料，我们可以追溯他走过的道路。

早在16岁（1895年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：“如果我以速度（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到这样一条光线就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。”其实这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽思想。不久爱因斯坦得知迈克耳孙一莫雷实验的零结果。他由此认识到，地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。他继续回忆说：“如果承认迈克耳孙的零结果是事实，那么地球相对于以太运动的想法就是错的，这是引导我走向狭义相对论的第一步。”后来，爱因斯坦读到了洛仑兹1895年的论文，对洛仑兹方程发生了兴趣。他很欣赏洛仑兹方程不但适用于真空中的参照系，而且适用于运动物体的参照系。他试图用洛仑兹方程讨论斐索的流水中光速实验。当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的。

但是进一步推算，发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。为什么这两个概念会相互矛盾呢?爱因斯坦苦思不得其解。起初他想修改洛仑兹的观念，以解决这个矛盾，结果白白花了一年时间，没有取得进展。

爱因斯坦回忆：“忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个间题的答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了这个难题。”1.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系中的那一个并无关系，(相对性原理)。2.任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度v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，(光速不变原理)。

爱因斯坦明确指出：在他的理论里，以太的概念将是多余的，因为这里不需要特设的绝对静止参照系。

不出五个星期，(1905年6月)，爱因斯坦就写好了那篇历史性文献《论动体的电动力学》，1905年9月发表在著名的德文杂志《物理学年鉴》上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把相对性原理和光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在一起作为基本出发点。他称之为两条公设，内容如下：爱因斯坦之所以能够如此利落地摒弃旧的一套时空观，是因为他经过十年的思索，查考了一系列物理学中的矛盾，总结了各方面的事实，充分认识到绝对空间和绝对时间是人为的，多余的概念。

爱因斯坦追求的目标是普遍性的自然法则。他在《自述》中写道：“不论是力学还是热力学(除非在极限情况下)都不能要求严格有效。渐渐地我对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了。我努力得愈久，就愈加失望，也就愈加确信，只有发现一个普遍形式的原理，才能使我们得到可靠的结果。我认为热力学就是放在我面前的一个范例。”哲学的思考也是引导爱因斯坦前进的重要因素。在《自述》中他这样讲道:“只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不知不觉地留在潜意识里，任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试都是注定要失败的。清楚地认识到公理以及它的任意性实际上就意味着间题的解决。爱因斯坦年少时期就对哲学很有兴趣。康德的《纯粹理性批判》，马赫的《力学史评》都给了他深刻的影响。

1902年前后，爱因斯坦和几个年轻朋友组成“奥林比亚科学院”每晚聚在一起，研读斯宾诺莎、休谟、彭加勒等人的科学和哲学著作。斯宾诺莎关于自然界统一的思想，休谟的时空观，马赫对牛顿绝对时空观的批判都引起爱因斯坦极大的兴趣。

奥林比亚科学院三、狭义相对论理论体系的建立爱因斯坦创建狭义相对论的过程是非常曲折的。爱因斯坦和洛伦兹不同，他不是人为地拼凑出种种假设，企图解释地球相对于光以太运动的零结果，而是把它当做自由界普遍规律的表现，从中领悟到这正是相对性原理在力学领域和电磁学领域普遍成立的证明；并且因此概括出了光速不变性原理。爱因斯坦首先讨论了“同时性”的定义。他说“凡是时间在里面起作用的我们的一切判断，总是关于同时的事件的判断。”

爱因斯坦指出，这种用静止在静止坐标系中的钟来定义的时间只是“静系时间”

爱因斯坦以两个公设为依据来考察长度和时间的相对性。1.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用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。（相对性原理）2.任何光线在'静止的'坐标系中都是以确定的速度V运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发出来的。（光速不变性原理）长度收缩我们观察一个半径为R的刚性球（在静止时看来是球形的物体），它相对于动系k是静止的，它的中心在k的坐标原点上。这个球以速度相对K系（另一静止参考系）运动着，它的球面方程是：

2222Rςηξ

用x，y，z来表示，在t=0，这个球面的方程是2222

2

2

)(1RzyVvx