相对论时空观

狭义相对论的时空观

摘要：相对论是近代物理学的两大理论支柱之一，是我们进入大学以来，第一次接触牛顿经典力学以外的新的理论体系。而狭义相对论中的时空观给了我们极大的震撼，让我们明白了牛顿时空观虽然承认时间和空间的客观性但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的，在麦克斯韦方程建立以及明确了光速的恒定性和最大性后这种把时间和空间看做作是脱离物质运动而独立存在的观点显然不再正确。本文阐述了在狭义相对论下的时空观。通过分析牛顿时空观的不足之处来说明狭义相对论下时空观存在的道理，并最终阐释狭义相对论的本质即其本质是在牛顿的三维绝对空间上再加一维时间。通过本文的论述，有利于理解狭义相对论神奇而平凡的一面。

关键词：相对论光速不变洛伦兹变换式

牛顿在他的《原理》一书中写道：“绝对空间就其本质而言，是不依赖于任何外界事物的，它永远是相同的，不变的。绝对的、真实的数学时间，就其自身及其本质而言，是永远均匀地流动的，不依赖于任何外界事物。”

牛顿绝对时空观承认时间和空间的客观性，但却把时间和空间看作是脱离物质运动而独立存在的。这在当时引起了一些科学家和哲学家的思考和怀疑。在十九世纪中叶麦克斯韦方程建立后，绝对时空观更面临着严峻的局面。按麦氏方程中存在的常数c，表明电磁波或光在真空中沿各个方向均以不变的速度c传播，这与伽利略相对性原理发生了矛盾。因为据绝对时空观的经典速度合成定理，在不同惯性系中，光的传播速度不应在各个方向均相同。似乎只有在某一特殊参考系中，麦氏方程才取标准形式，光才在各个方向上均以c传播。人们曾引入“以太”假设，认为“以太”充满宇宙空间并绝对静止，光是“以太”介质中的波动。相应于“以太”的惯性系就是那个特殊参考系。然而，尽管人们赋予“以太”各种各样光怪陆离的性质，仍难自圆其说。且反复实验的结果都是否定的，根本发现不了“以太风”。相反却证明了在任何惯性系中光速都是不变的。迈克尔孙和莫雷原本是千方百计地想观察地球的运动对光的传播速度的影响，他们还认为光是一种在被称为“以太”的媒质中运动的波。这样，它的表现就应该像在池塘表面上运动的水波那样。

当时人们还认为，地球也是在穿过这种以太媒质运动的，很像是一艘在水面上运动的小船。在小船上的乘客看来，小船激起的涟漪朝着小船运动方向向前扩展的速度，要比涟漪向后扩展的速度慢一些，因为在前一种情况下要从涟漪原来的速度减去小船的速度，而在后一种情况下却要把两个速度相加起来。我们把这叫做速度相加定理。但是，迈克耳孙和莫雷却发现，地球的运动对光速根本没有任何影响，不管在哪一个方向上，光的速度都是完全相等的。这个奇怪的结果使他们产生了一种想法：也许是非常不巧，在他们进行那个实验的时候，

地球在其环绕太阳运动的轨道上正好处在相对于以太静止不动的状态。为了检验事情是不是这样，当地球在太阳的另一侧朝着相反的方向运行时，他们又重复做了那个实验。但是，这一次也同样测不出光速有任何不同。

我们再拿电中性的π介子作为例子吧。π介子是一种非常小的亚原子粒子，它在衰变时会发射出两个光脉冲。已经发现，不管这两个脉冲的发射方向同原来母π介子的运动方向有什么关系，它们射出的速度总是相同的。于是我们发现，前面提到的两种实验都没有得到预期的结果：前一种实验表明，光速的表现同常规水波的速度不一样；而后一种实验则表明，光速的表现也不同于常规子弹的速度。总而言之，我们的发现是：不管观察者在做什么运动，也不管光源在做什么运动，光在真空中的速度总是具有恒定的值。光速还有另外一个性质即光速是无法超越的极限速度。既然光速固定不变是一个实验事实，所以，在现在所说的这个例子里，合成速度就必定小于我们上面所预期的速度值——它不能超过极限值c 。因此，我们应该得出结论说，即使对于比较小的速度来说，古典的速度相加定理也肯定是不正确的。1905年，爱因斯坦创立狭义相对论。提出了两条基本假设：

1.在互作匀速直线运动的所有惯性系内，一切物理规律都是相同的。此即相对论的相对性原理。

2．在所有惯性系内，真空中的光速c 在各个方向都相同，与光源的运动状态无关。此即光速不变原理。

这两条原理构成狭义相对论的基础，且从本质上改变了牛顿绝对时空观。既然按相对性原理，一切物理规律在任何惯性系中都相同，一切惯性系都是平权的，没有哪个惯性系更优越，这就使绝对空间的概念失去了意义。绝对时空观实际上包含着这样一个假定：存在信号传播的无限大速度，物质的相互作用是一种“瞬时超距作用”。所以存在“绝对时间”。爱因斯坦摒弃了“以太”观点，取消了无限大速度的溉念，认为真空中的光速c 是信号传播的极限速度，这就动摇了绝对时间的基础，从而接触到了时间和空间的相对性问题，揭示了空间和时间之间某种普遍而新颖的联系，引起人类时空观的变革。

从狭义相对论的两条基本原理出发，可以得出在沿x 方向相互以速度v 作匀速直线运动的两个惯性系),,,(t z y x k 和),,,(t z y x k '''''中，描述同一事件的时空坐标之间的变换关系为：

)()(2x c

u t t z z y y ut x x '+'='='=+'=

γ

式中

此即著名的洛仑兹变换式。它是相对论时空观的具体体现。由此容易得出，一个杆的长度(空间间隔)在两个惯性系中的关系为：l l γ=' 式中211

βγ-=

即空间间隔是相对的。同一杆的长度在不同参考系中测出的结果是不同的。在相对于杆静止的k '系中，杆测出的长度l '最大，在相对于k '运动的参考系中测出的长度则发生收缩，缩短为静止长度(或固有长度)的，所谓收缩只是测量效应，它取决于测量参考系与被测物体之间(客观)的关系。同样，两事件的时间间隔在不同参考系中也是不同的，且与事件所在空间坐标有关。而四维时空间隔则是不变的，所有这些充分表现了狭义相对论所引起的时空观的重大变革，它揭示了时间和空间的内在联系以及对时空的测量依赖于参考系的选择。

综上我们来谈谈狭义相对论的本质狭义相对论是四维时空的数学框架，其本质和牛顿的三维绝对空间加一维时间相同。它只是对客观物理时间和空间的理论抽象，仅仅是一种数学合理化的抽象，是研究工作所利用的工具。运动中的尺子会“收缩”，时钟会“变慢”都是因为我们用光做工具对运动物体进行测量的结果，如果不是用光做工具，或者不是对运动物体进行测量，就不会发生任何效应。因此原子钟环球飞行实验、u 子衰变、质量增加等现象不能用狭义相对论来解释，这些物理现象是高速运动物体客观上内在固有的真正的物理变化，而不同于狭义相对论的观测效应，研究这些物理现象的本质将是现代物理学的一个重要命题。狭义相对论的这一性质，使我们更多地把它看成是用物理名义所阐发的哲学原则：即同一位观测者，观测同一个对象（物体），因为观测条件的不同（观测者坐标系相对于运动物体坐标系的运动状态）而得到完全不同的观测结果（尺缩钟慢）。狭义相对论的成立，需要极其严格的条件，在现实中，这种条件根本不存在。所以，用现实实验结果与狭义相对论相对应，来说明狭义相对论的“正确”或“错误”的方法是不正确的。所以，如果我们搞清楚狭义相对论的本质，那么我们就会明白包括μ介子寿命延长、双生子佯谬、潜水艇悖论等在内的实验讨论都是对狭义相对论原理的误解。

c u

c u =

-=-=ββγ22

)(1111