从狭义相对论产生的历史深层背景看它的物理意义与科学价值

从狭义相对论产生的历史深层背景看它的物理意义

与科学价值

司今（jiewaimuyu@）

从内心来讲，我本人对讨论相对论议题并不感兴趣，因为我还没有能够深入了解它；虽然大学里学了一点，那也只能算是“九牛一毛”，因此，我不想把有限精力放在这个“陌生问题”上作过多言论，因为，对不太了解的东西“言多必失”！

但因受人之约，非要我谈谈对相对论的看法，碍于颜面，我也只好“应差”一下了。

据说，爱恩斯坦最初发表相对论的时候只有两个半人能看懂，一个是爱因斯坦，另一个是爱丁顿，其余的都是一知半解，加起来算半个；这虽有点戏语，但从侧面也反映出了相对论内容深奥、晦涩难懂的特点。

一百年过去了，相对论虽作为基础物理学而被人们接受，但

真正理解相对论的人还是不多。大学里，教授们在照本宣科地“念”着相对论给学生听，教授们走了，学生成了老师，于是还是照本宣科地“念”下去……可以这么说，相对论自诞生之后，并没有得到像量子力学那样大的发展，相反，它的一些假设、猜想还再延续让人困惑的传奇。

我始终认为，对相对论问题不能孤立地去看待和讨论，必须洞悉相对论产生的深层科学历史背景，必须将相对论的思想内容放到整个物理学体系中来全盘考虑，否则，那可能又是在演绎“盲人摸象”的滑稽剧！

目前，流行的所谓挑战相对论问题，大部分也都是在“盲人摸象”！因为各种物理理论已相互交错，“牵一发而动全身”，正如王令隽教授所说：讨论与挑战相对论之难就在于相对论的一些概念和理论已深深融入到量子力学中去了。

1、狭义相对论产生的历史深层背景

认识必须从它产生的科学历史背景着手，才能真正了解这个理论所描述的物理思想脉络和应用价值；我想，认识相对论也应如此。

十九世纪初，物理学已从宏观力学与经验电磁学转入微观粒子运动的研究，期间出现的不仅仅是“二朵乌云”，还有惯性

系转换问题（从地球惯性系转入原子核惯性系）与光运动问题等。爱因斯坦正是敏锐地扑捉了这一变革契机；他开始研究布朗运动与光电效应问题，他吸纳了普朗克的量子观点，并将这一观点应用到热力学中，特别是在解决物质态变中组成粒子的能级变化与光电效应问题起到了现代物理学基础的作用。在爱因斯坦所发表的论文中，被引用最多的不是《论动体的电动力学》等，而是一篇关于布朗运动研究的论文，正是这篇论文与关于光电效应解释论文为经典量子力学的发展奠定了基础。其后，才催生了他的狭义相对论与广义相对论诞生。

那么，是什么原因促使爱因斯坦产生建立相对论的念头？仅仅是一个迈克耳逊实验吗？

不是！是十九世纪科学基础矛盾的积累与由从宏观到微观研究差异所引出混乱的必然结果。用爱因斯坦的话说就是，“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”。

如果从历史深层背景来说，就是：

1.1、麦克斯韦电磁波理论首先提出光是一种电磁波，光速是一个定值，即C=3×108m/s.

麦克斯韦光速值是依据库伦电、磁荷力公式中的引力系数比ke/km得出的结论，即√ke/km=c=3×108m/s.但我们有没有仔

细想一想，此运算值真的就代表光的运动速度吗？其中蕴含的真正物理意义是什么？

如果把电荷力与磁荷力看作相等，则有F=keq1q2/r2=kmpm1pm2/r2，因pm=qv，可得ke= v1v2km；结合ke=c2km，就会得出c2= v1v2，这说明v1或v2必定会有一个是超光速c，为什么会出现此现象呢？

原来，ke与km就像与Φm与pm之间一样存在单位换算问题，如果将ke= v1v2/π与ke= c2km结合，就可得v1v2=πkmc2，即c2= v1v2/πkm，这样就不会出现v1或v2超光速问题了，同时也揭示了ke、km及它们之间相互转换的物理关系本质，说明电、磁力是同一种力，只因荷的定义不同而描述不同罢了。(注：具体推导可参阅《高斯定理的物理意义及其在场物理学中应用的得失》一文)

1.2、伽利略的速度合成律在光运动及电磁现象中应用出现问题

伽利略速度合成律是建立在牛顿惯性系中的二个平移坐标系之间坐标转换的规律，是牛顿绝对时空思想的数学体现。但它有一个显著特征，那就是：参照系相互转换时，必须用一个标准来衡量，不可以二个互为衡量标准。

但这种坐标转换形式应用到发光体光运动速度合成问题上

时，就会出现与实际不符的矛盾，这不是伽利略坐标转换本身的错误，而是伽利略忽略了一个事实：发光体发出的光子运动速度与发光体是否运动无关，它只与发光体内提供的发射光子的能量大小有关。

电磁现象之所以不符合伽利略速度合成律，那是因为我们直到现在还没有真正弄明白磁性真正的起源是什么？单个静态电子有没有磁性？单个运动电子真的就会在自己周围空间产生额外的运动磁场效应吗？我的研究是否定的！电子磁场的真正起源来自于其自旋性上，电子运动速度的增大只会削弱自旋磁场，从而使运动电子在其周围空间分布的磁场变弱。

1.3、以太风实验零结果问题

任何光速测定都离不开光源这一基点，迈克耳逊以太风实验说明：地球上沿各个方向的光从光源发出时都有相同速度，它与地球的运动状态无关；同时也否定了以太的存在，间接证明了光的粒子性。

这个实验还有一个重要意义，那就是它揭示了伽利略坐标变换存在局限性，暴露了伽利略坐标变换存在严重缺失，即它不适于描述发光体发出的光子运动速度合成问题。

1.4、荷质比随速度变化问题

1901年考夫曼在确定镭C发生的β射线荷质比的实验中首先

观察到，电子的荷质比与速度有关，他假设电子电荷不随速度而变化，则它的质量就要随速度的增大而增大。这一实验后来成了间接验证爱因斯坦光速不变假设的重要依据。

但是，我们却忽落了这样相关事实：我们知道，质量、电量都是在牛顿力学概念下定义出来的量，它们的含义应包括二个方面：

（1）、表示质体或荷体组成的基本粒子量多少；对不同“荷”概念就要为它制定一个用于度量的基本单位量，这就是“荷”组成的基本粒子概念；如电子，质量是m=9.1× 10-31kg、电量是e=1.602× 10-19C，用它们就可以去度量一个质量体、一个电荷体中所含的电子个数多少。

（2）、表示外力对物体或“荷”改变难易程度的度量，即它们所具有的惯性大小的度量。据此按“荷量”惯性定义内涵不同，可分为质量惯性、电量惯性等。

从上面质、荷定义的共同含义中可以看出，质量、电量都是与力有关的量，质、荷载体是由基本的质、荷粒子组成，说明它们都有量子性。物理学中如果在同一个公式里出现二个以上变量，则只可能将它们都视为常量或其中一个视为常量，不可能将它们都视为变量，因为二个量之间的转换必须要有一个“比较基”存在，至于选哪一种变量为“比较基”，不