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。

亨德里克·安东·洛伦兹

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。

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。

亨利·庞加莱

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。”

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。