物理学史--相对论的建立

相对论的建立一.历史背景二.狭义相对论的建立三.广义相对论的建立相对论是现代物理学的重要基石。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远影响。相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。一.历史背景1.1“以太漂移”的探索以太观念的提出可以追溯到古希腊时代，亚里士多德认为天体间一定充满着某种媒质。笛卡儿1644年发表的《哲学原理》中就引用了以太的观念。他认为“虚空”是不存在的，整个宇宙充满着一种特殊的易动物质以太。在光的微粒说占上风的年代，以太理论曾受到压制。1800年以后，由于波动说成功地解释了干涉、衍射和偏振等现象，以太学说重新抬头。波动说的支持者把以太看成无所不在、绝对静止、极其稀薄的刚性“物质”。但是，直到19世纪还没有一个实验能直接证明以太的存在。以太漂移实验给出了否定结果。这些结果促使人们对以太和绝对坐标系的存在产生怀疑。著名的以太漂移实验1.2收缩假说的提出迈克耳逊-默雷实验的零结果发表后，爱尔兰物理学家费兹杰惹立即进行了思考。1889年，他向英国《科学》杂志投稿，写到：“唯一可能协调这中对立的假说就是要假设物体的长度回发生变化，其改变量跟穿过以太的速度与光速之比的平方成正比。”然而，由于《科学》杂志不久就停刊了，这篇稿件虽然发表但却鲜为人知，连费兹杰惹本人也不知道这篇稿件是否问世。两年后，费兹杰惹去世，只是由于他的学生特劳顿多次提到他的工作，人们才知道他比洛伦兹更早就提出了收缩假说。1892年，荷兰物理学家洛伦兹在《论地球对以太的相对运动》中独立地提出了收缩假说，并给出了严格的定量关系。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。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。洛伦兹，H．A．(HendrikAntoonLorentz,1853～1928)，荷兰物理学家、数学家，1853年7月18日生于阿纳姆。1870年洛伦兹考入莱顿大学，学习数学、物理和天文。1875年获博士学位。1877年，莱顿大学聘请他为理论物理学教授。1912年洛伦兹辞去莱顿大学教授职务，到哈勒姆担任一个博物馆的顾问，同时兼任莱顿大学的名誉教授。后来他还在荷兰政府中任职，1919～1926年在教育部门工作，其间1921年起担任高等教育部部长。1911～1927年担任索尔维物理学会议的固定主席。在国际物理学界的各种集会上，他经常是一位很受欢迎的主持人。1923年国际科学协作联盟委员会主席。他还是世界上许多科学院的外国院士和科学学会的外国会员。洛伦兹因研究磁场对辐射现象的影响，与塞曼共获1902年诺贝尔物理学奖金。洛伦兹于1928年2月4日在荷兰的哈勃姆去世，终年75岁。为了悼念这位荷兰近代文化的巨人，举行葬礼的那天，荷兰全国的电信、电话中止三分钟。法国著名科学家彭加勒（HenriPoincarè）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。他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式。1904年彭加勒正式表述了相对性原理。彭加勒还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。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。彭加勒（JulesHenriPoincaré,）法国数学家。1854年4月29日生于南希；1912年7月17日卒于巴黎。有些人把彭加肋称为最后一个广博的数学家，因为他在数学上的大多数分支学科以及天文学上都作出第一流的创造性工作（而且撰写得非常好以至可以看成散文家），1879年，彭加勒获得博士学位，其后，他在巴黎大学教书。他在天体力学方面的工作及对三体问题的贡献使得他在1889年荣获瑞典国王奥斯卡二世的奖金。他是最早看出年轻的爱因斯坦的相对论的意义的人之一。二.狭义相对论的建立爱因斯坦（公元1879～1955年）出生于德国，有犹太血统，是20世纪最伟大的物理学家。爱因斯坦从小就是一个奇怪的孩子。他酷爱音乐，6岁时学习小提琴，14岁时已能登台演出。但上学时，教师说他智力迟钝，除数学外，历史、地理和语言成绩都很差，以致遭退学处分。他的教育主要靠家庭和自学。2.1爱因斯坦生平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。其中《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。1921年，爱因斯坦因对光电效应的研究而获得诺贝尔物理奖。1933年，希特勒上台，爱因斯坦因受法西斯迫害而被迫移居美国。1955年4月18日，爱因斯坦病逝于普林斯顿医院。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c（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。”这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。不久爱因斯坦得知迈克耳孙-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。他曾回忆说：“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。2.2爱因斯坦建立狭义相对论的过程经过十年的思考，终于在1905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。“是我在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮我摆脱了困境。那是一个睛朗的日子，我带着这个问题访问了他，我们讨论了这个问题的每一个细节。忽然我领悟到这个问题的症结所在。这个问题的答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底地解决了这个难题。”不出五个星期，（1905年6月），爱因斯坦就写好了那篇历史性文献《论动体的电动力学》，1905年9月发表在著名的德文杂志《物理学年鉴》上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把相对性原理和光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在一起作为基本出发点。爱因斯坦明确指出：在他的理论里，以太的概念将是多余的，因为这里不需要特设的绝对静止参照系。爱因斯坦不是象洛仑兹那样，事先假设某种时空变换关系，而是以这两个公设为出发点，推导出时空变换关系。他非常简洁地建立了一系列新的时空变换公式之后，立即推导出了运动物体的“长度收缩”、运动时间的“时钟变慢”、同时性的相对性以及新的速度合成法则等等，由此形成一套崭新的时空观。由于人们的思想长期受到传统观念的束缚，一时难于接受崭新的时空观，爱因斯坦的论文发表后，在相当长的一段时间内受到冷遇，被人们怀疑甚至遭到反对。在法国，直到1910年几乎没有人提到爱因斯坦的相对论。在实用主义盛行的美国，最初十几年中也没有得到认真对待。迈克耳孙至死（1931年）还念念不忘“可爱的以太”，认为相对论是一个怪物。英国也不例外，在人们的头脑里以太的观念太深了，相对论彻底否定以太的必要性，被人们看成是不可思议的事。当时甚至掀起了一场“保卫以太”的运动。J.J.汤姆逊在1909年宣称：“以太并不是思辨哲学家异想天开的创造，对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少”。2.3狭义相对论被承认和接受的过程1911年美国科学协会主席马吉（M.F.Magie）说：“我相信，现在没有任何一个活着的人真的会断言，他能够想象出时间是速度的函数。”被爱因斯坦誉为相对论先驱的马赫，竟声明自己与相对论没有关系，“不承认相对论”。有一位科学史家叫惠特克（S.E.Whittaker）在写相对论的历史时，竟把相对论的创始人归于彭加勒和洛仑兹，认为爱因斯坦只是对彭加勒和洛仑兹的相对论加了一些补充。爱因斯坦是1922年获诺贝尔物理奖的。不过不是由于他建立了相对论，而是“为了他的理论物理学研究，特别是光电效应定律的发现”。诺贝尔物理奖委员会主席奥利维亚（Aurivillus）为此专门写信给爱因斯坦，指明他获奖的原因不是基于相对论，并在授奖典礼上解释说：因为有些结论目前还正在经受严格的验证。爱因斯坦的论文发表后，在相当长的一段时间内受到冷遇，被人们怀疑甚至遭到反对。普朗克和闵可夫斯基（H.Minkowski）可以说是支持相对论的代表。正是普朗克，当时作为《物理学年鉴》的主编，认识到爱因斯坦所投论文的价值，及时地予以发表。所以人们常说，普朗克有两大发现，一是发现了作用量子，二是发现了爱因斯坦。他的学生劳厄在1911年就致力于宣传相对论，大概也是受了他的影响。闵可夫斯基本是爱因斯坦的老师，1908年发表《空间与时间》一文，把空时-时间合并成四维空间，重新处理了相对论的基本方程，把洛仑兹变换看成是空间-时间四维坐标的变换。这样就可以使相对论的规律以更加简洁的形式表达出来。爱因斯坦在1907年写文章表示，相信狭义相对论是经得起考验的。果然，一年后布雪勒（A.H.Bucherer）用改进了的方法测电子质量，得到的结果与洛仑兹-爱因斯坦公式符合甚好。以后许多实验都证明，狭义相对论的结果是正确的。可是，观念的改变不是一朝一夕之事。1911年索尔威会议召开，由于爱因斯坦在固体比热的研究上有一定影响，人们才注意到他在狭义相对论方面的工作。只是到了1919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众瞩目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。三.广义相对论的建立狭义相对论建立以后，爱因斯坦并没有止步。他认为狭义相对论还有许多问题没有解决。例如：为什么惯性坐标系在物理学中比其他坐标系更为优越？为什么惯性质量随能量变化？为什么一切物体在引力场中下落都具有同样的加速度？刚刚经受住考验的狭义相对论，为什么一用到引力场中就遇到了矛盾？爱因斯坦感到极大的疑惑。经过一段时间的尝试，爱因斯坦在1907年认识到，“在狭义相对论的框子里，是不可能有令人满意的引力理论的。”3.1广义相对论的建立过程1907年，爱因斯坦发表第一篇有关广义相对论的论文：《关于相对论原理和由此得出的结论》，文中首次提出等价原理（等效原理）的假设，即：“引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价。”文中还提出了另一条基本原理，即广义相对性原理，他设想，相对性运动原理对于相互作加速运动的参照系也依然成立，他假设可以用一个均匀加速的参照系来代替均匀引力场。爱因斯坦研究广义相对论，经历了一个比建立狭义相对论还更漫长的探索道路。从1907年到1916年的九年时间，爱因斯坦先后发表了好几篇论文，使广义相对论逐步完备。他遇到的主要困难是缺乏合适的数学工具。1913年，爱因斯坦与格罗斯曼(M.Grossmann)合作，建立了引力的度规场理论，他们联名发表了《广义相对论和引力论》，系统地论述了广义相对论的物理原理和数学方法。他们引入了黎曼张量，把平直空间的张量运算推广到弯曲的黎曼空间。1915年，爱因斯坦连续发表了几篇有关广义相对论的论文。其中《用广义相对论解释水星近日点