狭义相对论的创立和爱因斯坦的科学思想

西南财经大学科学技术史1狭义相对论的创立和爱因斯坦的科学思想马沁（西南财经大学证券与期货学院金融学）摘要：从迈一莫实验与相对论的创立的关系，对爱因斯坦创立相对论的思想过程及其科学思想等进行了分析说明.1.引言1905年3月，一个26岁的瑞士专利局技术员在德国的《物理年报》登出了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点}，文中解决了经典物理学无法解释的光电效应；4月，他完成了《分子大小的新测定法；5月，他完成了《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》等两篇关于布朗运动的研究论文6月，他完成论文《论运动物体的电动力学》，创立了狭义相对论。他就是著名的物理学阿尔伯特.爱因斯坦(Albert.Einstein)。在这短短的几个月时间，爱因斯坦在科学研究上取得了突破性成就，特别是狭义相对论的创立，改变了牛顿力学的时空观念，创立了一个全新的物理学世界。100年过去了，爱因斯坦在狭义相对论、广义相对论等方面的成就，在科学史上留下了不朽的丰碑.爱因斯坦的科学思想，以及他对哲学、宗教、教育、和平等问题的独到见解，又使他成为一位思想家，他的许多观念对科学、哲学和社会的发展产生了巨大的影响.鉴于这些影响，了解相对论的创立背景，客观地描述历史，客观地评价爱因斯坦的科学成果和科学思想是极其必要的。2.“以太凤”的观测实验笛卡儿1644年发表的《哲学原理》中引用了以太的概念。1678年惠更斯把光振动类比于声振动，看成是以太中的弹性振动。1800年以后由于波动说的成功，以太说重新抬头。在波动说的支持者看来光既然是一种波，那么必然存在着光波传播的媒质光以太。随着电磁学的发展，以太在电磁学中也获得了地位。麦克斯韦设想用以太的力学运动对电磁现象做出解释。电磁波以光速传播的预言被证实后，使以太的存在在物理学界获得了广泛的承认。既然光(电磁波)相对于以太的速度是各向同性的，而且恒等于C，那么人们就可以通过在不同的实验室(如地球)里观察光在不同方向速度的差异，即观测“以太风”以判定实验室相对于静止以太的运动状态，并反过来确定以太的存在。这样“以太漂移”的实验观测，就被广泛地进行着。英国天文学家布雷得利为了寻找地球公转所引起的恒星视差，从1725年12月到1726年12月持续进行观察，发现恒星表观位置在一年内确有变化.这就是所谓的光行差现象.这可以看作是探索以太漂移的早期观测。菲涅耳于1818年认为，地球是由多空的物质构成的，以太在其中穿过几乎不受什么阻碍，以太也许可以假定是静止的，要是这样，光行差现象便可以简单地加以说明问。如果真如此，根据日常经验，坐在行驶着的汽车上的人，即使当时没有风，他也会感到有气流从脸旁吹过，这一经验恰巧暗示了科学家探测以太存在的证据——以太风。1851年的斐佐实验结果表明，空气对以太可能没有拖曳作用。也就是说，在空气中进行光学实验，仍然可以把以太看作绝对静止的参照系，从而测量地球的绝对运动“仍有可能”。初期探测以太运动的失败并未动摇物理学家对以太存在的信念。1881年迈克尔孙设计了精西南财经大学科学技术史2密度极高的迈克尔孙干涉仪，实验的结果表明以太被地球完全拖曳，或者根本不存在以太。该实验的零结果引起了科学界的震惊，开尔文把它描述为笼罩在十九世纪光的动力理论上的阴云。3.迈一莫实验与相对论的创立初学狭义相对论的人往往认为迈克尔逊(Michelson)—莫雷(Morley)实验是相对论的实验基础和出发点，甚至有的教科书也这么说。但是在爱因斯坦的《论运动物体的电动力学》一丈里，根本没有提及这一实验，而只是模糊地提及了这一类实验。这是为什么呢？是爱因斯坦不知道这一实验，还是另有原因？回答这一问题还要从迈—莫实验的背景、目的和结果进行分析、由于牛顿力学的巨大成功，当时的物理现象都是用力学模型加以解释的。在麦克斯韦方程组建立后，科学家们开始寻找真空中电磁披传播的力学模型一一以太。早在1725年，英国的天文学家布莱克雷(JamesBradley)发现的恒星光行差可以证明地球并不拖动着以太运动，即以太是静止的。这样以太就可以为牛顿力学提供一个相对静止的参照系，地球相对于以太以一定的速度运动。迈—莫实验的目的就是要证明以太的存在。这一实验麦克尔逊1881年就开始做了，通常说的迈—莫实验是指1887年他俩合作的那次。虽然实验设计很精巧，而且反复实验了多次，但是始终没有预期的结果，即寻找绝对参照系的企图失败了。这引起了当时科学界的震惊，难道以太并不存在？麦克斯韦方程组的以太解释，以及经典物理学赖以建立的绝对时空受到了严重挑战。后来，斐兹杰惹(Fizgerald)于1892年对这一现象给出了他的解释。他认为以太理论是正确的，只是迈氏干涉仪沿地球运动方向的一臂缩短，使其恰好补偿了光沿两臂不同的有效速度造成的光程差，从而使两种效应抵消了.这就是斐兹杰惹—洛仑兹(Lorentz)运动收缩假设，这一假设在以太论的基础上对迈一莫实验的零结果给出了解释。由此可见，迈氏实验的零结果既可以用以太论来解释，也可以用相对论来解释。这一实验既不能否定光速不变，也不能肯定光速可变.这就是说，迈氏实验对相对论来说，逻辑上是不必要的。所以，认为迈氏实验是相对论的实验基础的看法是欠妥的。那么相对论是不是不需要实验基础呢？不是的，它的基础是半个多世纪的大量事实，这些事实只有用相对论来预见和解释，并可证明光速不变假设和相对性原理是正确的，其中比较著名的实验有:验证光速不变原理的实验、验证时间膨胀效应的实验、有关缓慢运动物体的电磁现象的实验、验证质量对速度的依赖关系的实验。爱因斯坦提出狭义相对论以后，运用狭义相对论可以非常圆满地解释迈—莫实验的零结果。相对论的一个基本假设是相对性原理一一所有物理定律在惯性系中都成立。地球可以视为一高度近似的惯性参照系，所以实验肯定不会有预期的效应。对迈氏实验的公正评价，正如爱因斯坦自己所说的，“迈克尔逊的这项工作是他对科学知识的不朽贡献，它的伟大之处在于以巧妙的方法达到了测量所要求的很高的精度，同样，也在于对问题大胆而清晰的表述.这一贡献，对于不存在绝对运动，因而也对于狭义相对论原理，是一个有力的论证……”，“在我的思维发展中，迈克尔逊的结果对我并没有产生多大影响。我甚至不记得，在我写这个题目的第一篇论文时(1905年)，究竟是否知道它，对此的解释是，根据一般的理由，我坚信绝对运动是不存在的，而我所考虑的问题仅仅是这种情况如何能够同我们的电动力学知识协调起来。因此，人们可以理解，为什么在我本人的努力中，迈克尔逊实验没有起什么作用，至少没起决定性作用。”1915年11月25日，爱因斯坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院，完整地论述了广义相对论。在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜，而且还预言：星光经过太阳会发生偏折，偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍。第一次世界大战延误了对这个数值的测定。1919年5月25日的日全食给人们提供了大战后的第一次观测机会。英国人爱丁顿奔赴非洲西海岸的普林西比岛，进行了这西南财经大学科学技术史3一观测。11月6日，汤姆逊在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上郑重宣布：得到证实的是爱因斯坦而不是牛顿所预言的结果。他称赞道“这是人类思想史上最伟大的成就之一。爱因斯坦发现的不是一个小岛，而是整整一个科学思想的新大陆。泰晤士报以“科学上的革命”为题对这一重大新闻做了报道。消息传遍全世界，爱因斯坦成了举世瞩目的名人。广义相对论也被提高到神话般受人敬仰的宝座。从那时以来，人们对广义相对论的实验检验表现出越来越浓厚的兴趣。但由于太阳系内部引力场非常弱，引力效应本身就非常小，广义相对论的理论结果与牛顿引力理论的偏离很小，观测非常困难。七十年代以来，由于射电天文学的进展，观测的距离远远突破了太阳系，观测的精度随之大大提高。特别是1974年9月由麻省理工学院的泰勒和他的学生赫尔斯，用305米口径的大型射电望远镜进行观测时，发现了脉冲双星，它是一个中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行，周期只有0.323天，它的表面的引力比太阳表面强十万倍，是地球上甚至太阳系内不可能获得的检验引力理论的实验室。经过长达十余年的观测，他们得到了与广义相对论的预言符合得非常好的结果。由于这一重大贡献，泰勒和赫尔斯获得了1993年诺贝尔物理奖。狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背后，却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了绝对时空后，惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。惯性定律实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。然而“不受外力”是什么意思?只能说，不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。这样，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用的。我们总能找到非常近似的惯性系，但宇宙中却不存在真正的惯性系，整个理论如同建筑在沙滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连，必须修正，但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了，万有引力无法纳入狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力，其中一种就冒出来捣乱，情况当然不会令人满意。爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论，然而为解决这两个困难，建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位，把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究了惯性力后，提出了著名的等效原理，发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。几经曲折，爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃一惊，引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。于是引发了那场著名的论战：爱因斯坦VS哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止，只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。建立了广义相对论以后，爱因斯坦后来的约四十年的时间都用来探索统一场论，试图把引力和电磁力统一起来，以完成物理学的完全统一。刚开始几年他十分乐观，以为胜利在握；后来发现困难重重。当时的大部分物理学家并不看好他的工作，因此他的处境十分孤立。虽然他始终没有取得突破性的进展，不过他的工作为物理西南财经大学科学技术史4学家们指明了方向：建立包含四种作用力的超统一理论。目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。4.爱因斯坦创立相对论的思想过程早在青年时代，爱因斯坦就开始思考一些看似天真、幼稚，却是十分大胆、具有创造性的问题.正是对这些问题的思考，最终引起了物理学的变革。16岁时，他曾自问：若他能以光速运动，将会出现怎样的结果呢？按照牛顿力学，无论一个人受力多么小，只要加速的时间足够长，原则上这人最终可以达到、甚至超过光速。假设开始时，人是静止的，有一列波从他旁边运动，那么这波应该呈规则的峰谷交替的振荡形式。现在人以波速运动，方向与波的传播方向相同，波的振动现象就会消失，但麦克斯韦方程组并没有提供这一可能性。那么，有两种可能：①方程组有错误；②观察者不能以光速运动。正当其他科学家致力于对麦氏方程组做出力学解释(即以太解释)的时候，爱因斯坦敏锐地认识到，假若观察者以光速运动，必然违反相对性原理。他举了一个绝妙的例子：假若一个人看着一面用电灯照亮的镜子，人是可以从镜子中看到自己的；若此人和镜子以光速运动，根据牛顿力学，电灯的光线永远不能到达镜子，该人在这个速度上也就从镜子里看不到自己，这就违背了相对性原理。也就是说，允许使观察者加速到光速的牛顿力学，与电磁理论中的相对性原理不可能协调起来，而前者是错误的，错误的原因在于认为存在绝对时空。