淺談狹義相對論

摘 要： 狹義相對論是由愛因斯坦在洛侖茲和龐加萊等人的工作基礎上創立的時空理論，是對牛頓時空觀的拓展和修正。愛因斯坦從光速不變原理出發，重新看待人們頭腦中根深蒂固的伽利略變換所蘊含的絕對時空觀，建立了嶄新的相對論的時空觀。

關鍵詞： 愛因斯坦 狹義相對論 時空觀

一、歷史背景

1865年以麥克斯韋方程組為核心的經典電磁理論的正確性已被大量實驗所證實，但麥克斯韋方程狹義相對論基本原理組在經典力學的伽利略變換下不具有協變性。而經典力學中的相對性原理則要求一切物理規律在伽利略變換下都具有協變性。究竟是麥克斯韋方程不滿足相對性原理，還是應當對麥克斯韋方程引入另一種變換？

早在電動力學麥克斯韋方程建立之日，人們就發現它沒有涉及參照系問題。人們利用經典力學的時空理論討論電動力學方程，發現在伽利略變換下麥克斯韋方程及其導出的方程（如亥姆霍茲，達朗貝爾等方程）在不同慣性系下形式不同，這一現象應當怎樣解釋？經過幾十年的探索，在1905年終于由愛因斯坦創建了狹義相對論。

二、狹義相對論的基本假設

1905年愛因斯坦提出的狹義相對論建立在下面兩條基本假設的基礎上。

1.光速不變原理：在所有相對于光源靜止或做勻速直線運動的慣性系中觀察，真空中的光速都相同。換句話說，真空中的光速C是對任何慣性參考系都使用的普適常數。

2.狹義的相對性原理：對于描述一切物理過程（包括物理位置變動、電磁及原子過程）的規律，所有慣性系都是等價的。這里的物理過程包括光現象在內。愛因斯坦的狹義相對性原理是伽利略力學相對性原理的推廣。

其中第一條假設，使我們看到一幅與傳統觀念截然不同的物理圖像。設想從一點光源發出一光脈沖，如從光源在其中保持靜止的參考系中觀察，波前為以光源為中心的球面；如從相對于光源做勻速直線運動的另一參考系觀察，波前將同樣是以光源為中心的球面。這預示與伽利略變換不同的時空觀。第二條假設將對稱性推廣于全部基礎物理學。

三、狹義相對論誕生和發展過程

相對論是一個時空理論，要理解狹義相對論時空理論先要了解經典時空理論的內容。愛因斯坦于1922年12月4日，在日本京都大學作題為《我是怎樣創立相對論的？》的演講中，說明了他關于相對論想法的產生和發展過程。他說：“關于我是怎樣建立相對論概念這個問題，不太好講。我的思想曾受到那么多神秘而復雜的事物的啟發，每種思想的影響，在生活幸福論概念的發展過程中的不同階段都不一樣......我第一次產生發展相對論的念頭是在17年前，我說不準這個想法來自何處，但是我肯定，它包含在運動物體光學性質問題中，光通過以太海洋傳播，地球在以太中運動，換句話說，即以太對地球運動。我試圖在物理文獻中尋找以太流動的明顯的實驗證據，但是沒有成功。隨后，我想親自證明以太相對地球的運動，或者說證明地球的運動。當我首次想到這個問題的時候，我不懷疑以太的存在或者地球通過以太的運動。”于是，他設想了一個使用兩個熱電偶進行的實驗：設置一些反光鏡，以使從單個光源發出的光在兩個不同的方向被反射，一束光平行于地球的運動方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在兩個反射光束間的能量差，就能用兩個熱電偶測出產生的熱量差。雖然這個實驗的想法與邁克爾遜實驗非常相似，但是他沒有得出結果。

愛因斯坦有機會讀了洛倫茲在1895年發表的論文，他討論并完滿解決了u/c的高次項（u為運動物體的速度，c為光速）。然后愛因斯坦試圖假定洛倫茲電子方程在真空參照系中有效，也應該在運動物體的參照系中有效，去講座菲索實驗。在那時，愛因斯坦堅信，麥克斯韋-洛倫茲的電動力學方程是正確的。進而這些議程在運動物體參照系中有效的假設導致了光速不變的概念。然而這與經典力學中速度相加原理相違背。

為什么這兩個概念互相矛盾？愛因斯坦為了解釋它，花了差不多一年的時間試圖修改洛倫茲理論。一個偶然的機會。他在一個朋友的幫助下解決了這一問題。愛因斯坦去問他并交談討論了這個困難問題的各個方面，突然愛因斯坦找到了解決所有的困難的辦法。他說：“我在五周時間里完成了狹義相對論原理。”

愛因斯坦的理論否定了以太概念，肯定了電磁場是一種獨立的、物質存在的特殊形式，并對空間、時間的概念進行了深刻的分析，從而建立了新的時空關系。他于1905年完成的論文被世界公認為第一篇關于相對論的論文，他則是第一位真正的相對論物理學家。

四、狹義相對論的反對者

長期以來，狹義相對論專家總是讓公眾無法理解狹義相對論，而公眾卻不得不把它奉為偉大真理，這是對公眾智慧的藐視和褻瀆。狹義相對論已成當代科學發展的障礙。從對微觀世界認知的困惑到宇宙學的混亂，一大禍根便是狹義相對論。

狹義相對論及其包含的相對主義實證論的負面影響已滲透到了社會生活的方方面面。當前社會上封建迷信活動和偽科學如此猖獗，與狹義相對論關系緊密。時下盛行的一些歪理邪說大多源于狹義相對論及其衍生品，如“第4度空間”、“時間隧道”，“宇宙大爆炸”、“黑洞”等一類偽學說。例如霍金說他可以和牛頓和愛因斯坦同桌打牌、科幻電影中漂亮女孩通過時間隧道與歷史上的皇帝談情說愛等，都是鬼神論的代表。說狹義相對論是它們的理論靠山并不為過。毋庸置疑，狹義相對論是當代科學，特別是基礎理論發展的嚴重障礙。

維護與反對狹義相對論的斗爭，不僅是學術上的爭論，是科學史上的一次撥亂反正，還是一場唯心主義與唯物主義的斗爭。

綜上所述，狹義相對論建立以后，對物理學起到了巨大的推動作用，并且深入到量子力學的范圍，成為研究高速粒子不可缺少的理論，取得了豐碩的成果。然而在成功的背后，卻有兩個遺留下的原則性問題沒有得到解決。第一個是慣性系所引起的困難。拋棄了絕對時空后，慣性系成了無法定義的概念。我們可以說慣性系是慣性定律在其中成立的參考系。慣性定律的實質是一個不受外力的物體保持靜止或勻速直線運動的狀態。然而“不受外力”是什么意思？只能說，不受外力是指一個物體能在慣性系中靜止或勻速直線運動。這樣，慣性系的定義就陷入了邏輯循環，這樣的定義是無用的。我們總能找到非常近似的慣性系，但宇宙中卻不存在真正的慣性系，整個理論如同建筑在沙灘上一般。第二個是萬有引力引起的困難。萬有引力定律與絕對時空緊密相連，必須修正，但將其修改為洛倫茲變換下形勢不變的任何企圖都失敗了，萬有引力無法納入狹義相對論的框架。當時物理界只發現了萬有引力和電磁力兩種力，其中一種就冒出來搗亂，情況當然不會令人滿意。

相對論入門中的例子，更為可信的結論是：相對論主要結果是光速觀測結果，不等于物理本質，因此它并不是錯誤的，也是可以通過實驗證實的，但它不能準確描述物理本質，是有待完善的理論，愛因斯坦只是列錯了算式；波粒二象性是波傳遞必須依靠的介質中的粒子表現出來的，因此光也是普通的波，與其他波沒有本質區別。按照修正后的相對論，與所有其他體系兼容，且不存在悖論，有關相對論的爭議，完全可以平息。

參考文獻：

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