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1、现代物理学基础思考之三狭义相对论思考目录第一章：经典物理学几个问题1、伽利略相对性原理2、惯性认识3、伽利略变换光速测量4、场概念兴起5、以太论复兴6、光速测量7、迈克尔逊实验第二章：洛伦兹变换思考1、狭义相对论产生背景2、狭义相对论产生以及科学界最初反应3、Lorentz transformation经典物理推导方法4、同时性相对性5、Lorentz transformation相对论推导6、狭义相对论时空变换7、狭义相对论中质量与能量8、速度合成公式思考9、狭义相对论意义 第三章：狭义相对论时空观 1、四维时空问题 2、狭义相对论中绝对问题 3、相对论与约定论关系初探4、狭义相对论与以太5
2、、狭义相对论时空变换效应 第四章：狭义相对论实验验证 1、质速关系验证 2、运动物体在运动方向上收缩效应 3、光行差效应解释 4、运动物体时钟延缓效应 5、相对论多普勒公式验证 6、相对性原理验证 7、真空光速不变性原理验证 8、光速与光源速度无关验证 第五章：时空平权理论1、Einstein探索性科学假设在科学研究中重要性 2、经典力学中时空对称性问题 3、狭义相对论中时空对称性问题 4、广义相对论中时空对称性问题 5、量子力学中时空对称性问题 6、时空平权理论 7、时空平权与多普勒效应 8、时空平权相对性 9、质能方程时空平权理论推导 第六章：狭义相对论困难 1、物理学界对于狭义相对论批判
3、 2、狭义相对论天空中“两朵乌云” 3、对于光速不变性原理争论 4、对于洛伦兹变换争论 5、Lorentz transformation困难 6、狭义相对论局限性 第七章：狭义相对论哲学观浅议1、物理学家对于狭义相对论发展思考 2、狭义相对论对于哲学发展影响 3、狭义相对论对于现代物理学理论结构影响 4、狭义相对论中相对与绝对问题 5、光速不变性原理与唯物辩证法关系思考 6、狭义相对论与唯物辩证法关系初探 第八章:狭义相对论困难思考 1、狭义相对论效应与加速度之间关系 2、Lorentz transformation修正 3、狭义相对论效应与广义相对论效应统一 4、Einstein早年哲学观5
4、.洛伦兹变换是动力学效应 6、修正后洛伦兹变换实验验证问题 7、几个狭义相对论验证实验重新分析 8、同时性绝对性 9、虚速率及其存在下相对论第一章 经典物理学几个问题 1、 伽利略相对性原理 相对运动概念在应用到自由度数很大甚至无限大系统时就会受到限制.可是只要我们回到那种不可分割，整体连续表象，只要我们放弃单个物体位置和运动参数变化以及为些所必备坐标系，那么绝对运动和相对运动对立就被撤消了.对某一宏观体积中质点热运动来说，相对性概念就没有什么用途.不过当我们规定系统自由度数不太大，并且可以不间断地记录每一质点位置和速度，那么相对性概念还可以保持下来.这样，要是可以把宇宙气体（不去研究里面个别
5、质点位置和速度）同连续介质组成一体话，牛顿绝对空间或许就获得唯理论意义.当绝对空间具有洛仑兹那种全部充满空间以太特征时候，绝对空间也同样会获得唯理论意义.（尽管已为后来一系列实验所驳倒） 在物理学中，力学终极概念得到了因果解释.对物理学来说，力概念（力场概念）是个必须加以分析概念.物理学确定了力数值，在个别情况下，当质点无摩擦地运动时（即摩擦力可以忽略时）力可以是坐标函数.这种函数形式应由引力论、弹性理论、电动力学理论中对引力、弹性力、电力、磁力研究给出，并且这种研究与力学不同，完全按另一种方式进行，这些力已不再是终极概念，恰恰相反，现代科学任务正是要用物理或数学方法把它们从另外量推演出来.
6、划分物理学和力学界限也就把场方程和运动方程加以区分.或许正如前面所指出那样，既然忽略了离散存在质点和场相互作用，所以场方程和运动方程都是线性.在用抽象理论认证某个质点时候在力学上就把这个质点看成是一种纯属被动实体，而力也就施加在它上面，同时又和这个质点本身无关，这也正是解决力学问题前提.在场论中力场被相应地看成所谓被动一面，看成是不依赖于场粒子（即场源）函数.根据力来确定运动，根据力与坐标关系确定力是牛顿在自然哲学数学原理中所提出两个问题.在解决第一个问题时，牛顿依据是他所阐明运动公理.同时在原理中还解决了另一个问题，确定了把力（引力）和坐标联系起来函数形式.如所周知，这是古典物理学出发点.以
7、后物理学其他部门就是按牛顿引力场式样构成. 在物理学发展影响下，当力学把标量也包括到自己基本概念之中时候，已知力和初始条件就能决定质点位置牛顿运动方程将要被另一种方程所取代.就科学思维能力和风格影响来说只有极少数科学发现可以同广义坐标方法相提并论.把空间中质点位置，即古典力学原始形象和被当成是多维“空间”点系统位形相对应，从几何观点来说这是在拉格朗日把四维时空引入科学之后所采取下一个步骤.当达朗贝尔在百科全书【4】量度一文中写到他一些“机敏熟人”把时间看成是第四维时候，他可能就是指拉格朗日和其他一些人.但是，把第四维概念引入科学还是当拉格朗日在分析力学中用四维解析几何形式阐明古典力学原理之后.
8、也正是由于分析力学才把维空间观念引入到科学之中.多维空间理论由于柯西（Couehy）、凯尔【5】、普留凯尔（Pluker）【6】、黎曼（Reimmsnn），特别是格拉斯曼（Grassmaum）【7】之在广延性理论【1】（1844）中努力在形式化方面得到了很大发展.这一发展以新、有力研究方法丰富了数学内容，使变革几何学原理成为可能，同时为相对论，量子力学准备了富有成效多维几何学解释. 推动这一发展首要因素就是拉格朗日把力学系统状态看成是多维空间点这一天才设想和促使数学家继续建立形式化理论观念，然而，此时不能把物理思想概念和形式化理论体系概念单纯地加以对应.从历史上来说，这种单纯地与形式化理论体系
9、概念相对应既是十八世纪后半期和十九世纪前半期形式化理论体系物理学从力学和力学概念发展中获得解放重要前题，有时也是重要方面，而力学概念发展也刺激了这种解放. 拉格朗日研究了由n个质点构成系统.这些质点位置用个因子来描述，每因子又由三个数组成，则位置即被3n个坐标 x1y1z1，x2y2z2，xnynzn 来描述.如果通过具有相应下标q1，q2，qn 表示上述每个坐标，那么系统位形就可以用具有3n个坐标q点来代表，或者说用具有3n个分量矢量q来代表.这样，系统从一个位置到另一个位置变化就可以表示为q点位移，或表示为具有分量dq1，dq2，dqn3n维矢量dq.假若系统在三维空间中运动，它位置变化可
10、以用3n维轨迹来代表，而3n维轨迹则是q点位移结果. 在拉格朗日力学中，广义坐标不仅可以是质点系笛卡尔坐标.而且也可以是描绘该系统位形任何一种参数.对一个受到引力或弹性力作用质点系统来说，每一时刻作用在系统中各点上力（因而也就是加速度）由广义坐标所决定.物体速度不影响加速度，并且当已知系统位形时，速度有可能取不同值.如果速度可以取不同数值，那么，既使已知加速度（即力），下一时刻系统位形也是不确定.所以为确定系统在未来每一时刻行为不仅必须给出已知时刻坐标，而且还要给出速度.有这两种量就可以详尽无遗地描述出系统状态. 状态概念是同古典物理学基本前提紧密相关，这一点要引起注意.当我们从原始、直接给出
11、、不可分割混乱图景中区分出个别物体和运动时候，我们是把在空间中改变自己位置物体一系列自身同一状态认为是某种过程，这是力学最原始表象.力学之原始形象则是坐标随时间改变自身同一物体.坐标变化并不能为怀疑运动客体与自身同一提供任何根据.我们完全完全可以“识别出”在每一个相继时刻物体.这一力学基本前提（运动客体自身同一性）是以坐标连续变化加以保证.倘若原则上能够把物体在一个位置和另一位置间隔上每一个点都记录下来，那么就可以断言出现在我们面前是同一个物体.物理客体这种个体性（在上述情况下运动客体个体性）是由每一个接继状态同已知状态单值依存关系所保证，也就是说可以由以下这种可能性所保证；即知道物体在某一时
12、刻状态就可以预见每一个相继时刻状态（同样是原则上）.这样，所谓状态这一概念标志若干物理量综合，而这种综合以单值形式同每一个相继时刻，每一个相似综合联系在一起.根据这种状态连续性和单值依存关系就可推出运动微分方程.当已知初始条件时借助此方程就能绝对准确地预言物体以后全部运动.在把这种关系运用于物体系统时，拉格朗日就把力学系统个体性和自身同一性这些具有质特征概念，翻译成分析语言，而这些概念则是由它们和状态之单值连继依存关系所保证.引入广义坐标和广义速度（公式）后运动微分方程表现出古典机械论决定论观念. 现在我们讨论一下为描述或者说为预见系统后继状态所必须广义坐标（和广义速度）数目问题.假若系统由一
13、个质点构成，此时广义坐标和普通坐标一致，即广义坐标数 f 等于3.若系统有两个质点，那么需要6个广义坐标，f=6，即第一个质点要三个普通坐标，第二质点也是三个.若这两个质点彼此是以不变距离相联系（即有一个约束条件）这时有5个广义坐标就足够了.数f 总等于系统自由度数.每个质点在三维空间要三个数，n个质点自由度数是3n 减去K个约束条件 f=3nK.给出与广义坐标数目相同广义速度，不仅可以确定位置，也可以确定系统状态. 借助于广义坐标对任何计算系统都能够求得运动方程.拉格朗日在引入了函数 （等于封闭系统动能和势能之差）之后，得到了运动方程.后来赫姆霍茨称这个函数为动势.用动势（拉格朗日函数）把运
14、动方程改写为下形式：所论系统有多少个自由度（f=3nK），就有多少个拉格朗日方程. 在引入广义坐标qi 和广义速度 之后，下一步就是引入广义动量 pi，它是拉格朗日函数对广义速度 一阶导数. ， ，等等，pi 被叫作广义动量是因为在笛卡尔坐标系中（q1=x，q2=y，q3=z）它与动量在三个坐标轴上投影一致.然而它被称之为广义动量这是因为例如在极坐标中q1=，q2=，.p1具有动量量纲，而p2具有动量矩量纲. 借助于广义动量可以得到替代f个拉格朗日方程（二阶）2f个一阶方程.如果用哈米顿函数H=T+U代替拉格朗日函数，这些方程就可以采取极为简单对称形式. 拉格朗日方程和哈米顿方程在物理学中特别
15、是在电动力学中获得广泛地应用.可是从历史观点上来看，物理学在此情况下从力学中所得到东西正是它向力学所提供东西.当非力学参量能够以坐标身份出现时，这种被推广后运动方程形式就成为物理学发展历史成果了. 物理学影响使力学基本原理相对性原理改变了形式.我们先来看看牛顿运动方程.在它里面作为纯力学量出现是质点空间坐标.质点相对于某个坐标系运动，并且在坐标变换时，即从一个惯性系过渡到另一个惯性第时，运动方程是协变.下面再看具有广义坐标拉格朗日方程.它可以描述其他非力学过程.当坐标变换时拉格朗日方程是否还保持协变性呢？麦克斯韦电动力学和以后Einstein相对论指出：如果所论系统是匀速直线运动，则方程是协变
16、.这样一来，相对性原理就推广到非力学过程，并且使古典物理这获得了最终形式.当然古典物理学为此是要付出代价，这就是说要放弃不变空间距离和时间间隔，而代之以不变四维间隔.此时相对性原理仍旧是统一宏观物理学和力学普遍原理.从这种意义上说相对论是世界之古典图景总结.不过这种情况下，力学规律是否还能保持原来那种基本，作为出发点，最普遍规律地位吗？虽然一方面不能把物理学归结为力学规律然而另一方面物理学原理又无法同力学规律分割开来. 当谈到区分力学和物理学，谈到物理学不能归结为力学特性，总而言之，说到它们之间相互关系时候，必须考虑到“力学”概念和“力学”概念本身在历史上变化.这两个词含意是在变化着，并且随着
17、物理思想改变而改变.力学发展每一个历史阶段都是以被物理思想所决定终极概念区别于另一个历史阶段.而这种物理思想总要直接影响到力学特性.笛卡尔力学物理前提是空间和物质同一.牛顿力学物理前提是作用于自然界所有物体引力概念.骤然看来在拉格朗日和哈密顿力学中，似乎缺乏物理前提，力学只具有四维解析几何形式化性质，但是这只是意味着从物理上解释方程时，它里面量可以和被守恒定律所联系不同物理量相对应.狭义相对论力学是同新物理前提电动力学概念和规律联系在一起. 这样，当我们谈论把这样或那样物理学原理能够归结或不能够归结为力学时候，不仅应该考虑到在物理学中力学概念这样或那样作用，还要考虑到物理学概念对力学影响.单纯
18、地把“非力学物理”和“力学物理”加以对比就会忽视了那种相互作用.实际上物理学同力学间联系是很曲折，必须以这种态度来研究相对论物理之力学和非力学特性问题. 是否可以把这些概念在历史所有变更都归拢在一起进而从整体上对“力学”和物理学“力学”特性加以讨论呢？我们要把这个问题放在同其他问题联系中加以考察，这就是说最好把全部历史变更都归拢在一起来讨论相对性原理，或者说讨论适用于伽利略牛顿古典原理和Einstein狭义，广义相对论，普遍相对性概念.伽利略牛顿原理适应于缓慢惯性运动；狭义相对论适用于可以和电磁振荡传播速度相比拟惯性运动；广义相对论适用在引力场中质点或质点系加速运动.上述情况都是指坐标以这样或
19、那样方式随时间而变化；都是指某种被个体化，在每一时刻定域于空间中物理客体，而此客体在保持自身不变同时从空间一个点转移到另一个点.换言之，这里所研究正是自身同一客体一个个相继处所.这个客体能够以任意速度（古典相对性原理）或以被某个恒定（狭义相对论）或以引力场所决定（时空弯曲、广义相对论）速度通过这些处所.无论取那一种观念只要指明自身同一客体相对它作运动那个物体，则自身同一客体运动概念就是有意义.这些参考物和相应坐标空间都是平等，即从一个坐标空间过渡到另一个坐标空间时，某些量要保持不变（相应变换不变量），也就是说这种过渡并不表现在运动着系统内部物理过程进程之中.这个论题（即能否提所谓位置、速度、加
20、速度相对性）能够用到哪种坐标变换上面还应当由实验指出，把现已知晓相对性理论都归拢起来这才是相对性原理意义所在. 现在我们着手总结力学概念了.在笛卡尔力学中，所谓物体运动是指从物理学上区别于周围物体运动.当笛卡尔把物体对与其相接触空间运动归昝为空间，他这种做法则是力求把物体从环绕它空间划分出来，又要把二者视为同一.牛顿认为运动物体有不变惯性质量，因此他能够不考虑物体长、宽、高而把物体看成是质点具有一定质量，不计尺寸大小粒子.拉格朗日和哈米顿方程可以描述很复杂客体运动，它自身同一性和个体性是以复杂解析表示不变性所保证.在相对论力学中所表现是视为同一质点属性极为复杂关系.但是所有情况，无论是具有静止
21、质量粒子还是用能量作为视为同一根据光子，在较为广阔普遍意义上来看力学所研究还是粒子和系统相对运动.从这种意义说，每一个相对论坐标表象其意义就是“力学”表象. 在研究相对论原理之具体可以互相替代相互补充变更和力学具体形式时候，我们就能对Einstein相对论是所谓“力学论”还是“物理论”问题作出回答了.这个理论是力学理论；然而这里所谓力学就是物理概念本身长时间影响结果.它所研究决非具体，狭隘意义机械运动，而是无比复杂物理客体运动. 参考文献：【1】，【4】 法，.，e上有撇 【5】（身世不详） 【6】德国数学家、物理学家 【7】德国数学家. 2、惯性认识最早清楚表述惯性定律并把它作为原理加以确定
22、是笛卡儿.笛卡儿是唯理论哲学家，他试图建立起整个宇宙在内各种自然现象都能从基本原理中推演出来体系，惯性定律就是他体系中一条基本原理.他在他哲学原理（1644年）一书中把这条基本原理表述为两条定律：一、每一单独物质微粒将继续保持同一状态，直到与其他微粒相碰被迫改变这一状态为止；二、所有运动，其本身都是沿直线.然而笛卡儿没有建立起他试图建立那种能演绎出各种自然现象体系，其中许多是错误，不过他思想对牛顿综合产生了一定影响.惯性是物理学中最基本概念之一，也是学习物理学最早遇到概念之一.这一极为普通和平凡概念曾经引导许多物理学家深入思考和剖析，促进物理学重大进展，其中蕴涵着深刻物理思想和丰富物理学研究方
23、法教益.惯性一般是指物体不受外力作用时，保持其原有运动状态属性.人们对于惯性这一认识有赖于惯性定律建立，而它则依赖于对于力认识以及区分运动状态和运动状态改变认识，这一点在人类认识发展史上经历了漫长岁月.牛顿1661年进入剑桥大学学习亚里士多德运动论，1664年他从事力学研究，摆脱了亚里士多德影响.他继承了伽利略重视实验和逻辑推理研究方法，他也继承了笛卡儿研究成果.他深入地研究了碰撞问题、圆周运动以及行星运动等问题，澄清了动量概念和力概念.1687年出版著作自然哲学数学原理，以“定义”和“公理，即运动定律”为基础建立起把天上力学和地上力学统一起来力学体系.惯性定律就是牛顿第一定律，表述为“所有物
24、体始终保持静止或匀速直线运动状态，除非由于作用于它力迫使它改变这种状态.”惯性定律真正成为力学理论出发点.根据惯性定律，物体具有保持原有运动状态属性，这种属性称为惯性.不仅静止物体具有惯性，运动物体也具有惯性；物体惯性大小用其质量大小来衡量.至此，人们对于物体惯性认识达到第一阶段比较完善程度.在经典物理学中，惯性原理是相对性原理表现形式.惯性存在是因为场真实存在，场在宇宙空间中广泛存在是惯性得以体现最根本原因.1970年苏联科学家罗金斯基进行实验在 以内证明了引力质量和惯性质量严格相等，如果注意到惯性质量与引力质量严格相等，我们将发现，更准确提法是，惯性来源于全宇宙物质万有引力场.为了弄清物体
25、惯性运动物理实质性原理，不妨让我们针对假定只有 、 两物体存在宇宙进行分析.如图1-2，由于宇宙中只有 、 两物体存在，为了考察 惯性和运动，不管 、 两物体之间是否发生相互作用，充当惯性参照系唯一地只能是 物体.在这样简单宇宙中，针对 物体可以把牛顿第一、第二运动定律分别表述为：1、 相对 保持静止或匀速直线运动，除非 对它施加作用力迫使它改变这种状态.2、 相对 所得加速度大小与受到 作用力成正比，与 质量成反比，加速度方向在 、 连线上.我们令距 物体 远处场存在着激烈程度为 引力场波动，G为常数，m为B质量.（粒子长期存在不改变其质量等物理内涵，这表明引力场波动并不向外扩散能量.）设A
26、有效截面积为s，相对B以速度v运动，由于相对运动，属于B场在单位时间内流经A能流为 .再以这个能流与能流密度及有效截面积作比，得到速度量纲物理量 .消去常量G，并用大写字母V表示它，得到 在这种简单宇宙体系中，由于 （广义相对速度与相对速度恒等）， ，所以用A广义相对速度代替A相对速度分析惯性和运动问题，和原先完全一致，不存在任何分歧.但当全面考察错综复杂现实宇宙中其它物质影响以后，某物体广义相对速度与它相对速度之间便存在着一些差异，我们将发现，正是这些差异存在，直接导致了以往经典时空观舍弃.如图1-3.全面考察全宇宙物质存在得到 其中V表示考察物体（A）广义相对速度， 表示考察物体相对任一参
27、照系速度（这一参照系可以是惯性参照系，也可以是非惯性参照系）， 表示宇宙中某一物体 相对同一参照系速度， 表示考察物体与 距离，积分范围是全宇宙空间.客观现实中，大多数物质都以星球形式存在，通常我们可以采用广义相对速度不连续表达式计算 ，由于参照系之间存在着相对运动，相对速度没有唯一值，而广义相对速度却具有唯一值，显然，通常情况下 ，用计算机可以计算证明，在地球表面附近，即使考虑地球物质、远距离物质及空气影响，只要运动物体位移距离和时间不很大，广义相对速度和相对速度变化率是非常接近，即 ，或者 .所以，如果承认牛顿第二运动定律，即 ，那么就有 . 附录：为牛顿第一定律建立而奋斗过人们一、生活经
28、验总结者-亚里士多德长期以来，在研究物体运动原因过程中，人们经验是：要使一个物体运动，必须推塔或者拉它一下，因此，人们直觉第认为，物体运动与推、拉等行为相联系，如果不再推、拉，原来运动物体便会停止下来.根据这类经验，亚里士多德得出结论：必须有力作用在物体上，物体才能运动；没有力作用，物体就要静止在一个地方.这个由明显线索得出错误判断，维持了近两千年，直到三百多年前伽利略出现.二、理想实验践行者-伽利略伽利略注意到，当一个小球沿斜面向下运动时，它速度增大；而当小球沿斜面向上运动时，它速度减小，由此伽利略猜想：当小球沿水平面运动时，它速度应该不增不减.那么，实际情况中，为什么小球沿水平面运动时，速
29、度会越来越慢呢？原来是由于小球受到摩擦阻力作用.并由此推断，若没有摩擦阻力，球将永远运动下去.伽利略为了说明他思想，设计了一个实验：让小球沿一个斜面从静止状态开始向下运动，小球将“冲”上另一个斜面.如果没有摩擦，小球将上升到原来高度.减小第二个斜面倾角，小球在这个斜面上仍将达到同一高度，但这是他要运动远些.继续减小第二个斜面倾角，球达到同一高度时会离得更远.于是他想到，若将第二个斜面平放，小球会到达多远位置呢？结论显然是，球将永远运动下去，却不再需要什么力去推动.也就是说，力不是维持物体运动原因.当然，我们不能消除一切阻力，也不能把第二个斜面做得无限长，所以，伽利略实验是个“理想实验”.三、迈
30、向真理接力者-笛卡尔与伽利略同时代法国科学家笛卡尔也研究了这个问题，他指出：如果运动中物体没有受到力作用，它将继续以同一速度沿同一直线运动，既不会停止下来，也不会偏离原来方向.四、物理基石奠定者-牛顿在伽利略和笛卡尔工作基础上，在经历了一代人以后，牛顿提出了动力学一条基本定律：一切物体总保持静止状态或匀速直线运动状态，直到有外力迫使它改变这种状态为止.这就是牛顿第一定律.牛顿第一定律表明，物体具有保持原来匀速直线运动状态或静止状态性质，我们把这个性质叫做惯性，因此，牛顿第一定律也叫惯性定律.由于这个定律给出了惯性概念，所以人们说，它是物理学基础，是奠定牛顿物理学基石.最后需要说明是，因为不可能
31、把自然界任何物体完全孤立起来，也就是说，不受力作用物体是不存在，所以，牛顿第一定律是利用逻辑思维对事实进行分析产物，不可能用实验直接验证. 3、伽利略变换科学遵循原则是，在充分必要条件下越简单越好.卢瑟福认为“一个好理论应该连酒吧女郎都能看懂.”1、惯性系：力学发展经牛顿总结成动力学三定律，牛顿三定律及其导出各定理在伽利略变换下，对所有惯性系都有相同形式.这一表述通常称为力学相对性原理，伽利略变换不同惯性系时空变换导出基于两个基本假定：一是相对性原理，另一个是时间和尺长在不同惯性系是相同.惯性系族：相对作匀速运动所有惯性系称为惯性系族设惯性系相对惯性系是同族惯性系，惯性系时空均匀性决定了同一事
32、件点在惯性系与中对应坐标矢与满足如下线性关系：（1-1）（1-2）即 ， 惯性系空间各向同性要求同一个惯性系在空间转动下不变，也即惯性系空间是Euclid空间，为了适当简化推导过程我们选择在系空间投影为系轴，同样选择在系空间投影为系轴，各自建立正交性时空坐标，也即有（2-1）（2-2）在（2-1）式两边同时点乘或，由时空标架正交性易得，于是，；，同理，；，（3-1）（3-2）在（3-1）两边点乘或可得，即，；，在（3-2）两边点乘或可得，；，综上即有即系到系线性变换可分解为-到-变换与-到-变换.其中-到-变换是Euclid空间刚性转动，于是可在系作旋转使与同与对应平行，即有：（4-1）对应有
33、，（4-2）令有，2、间隔定义3、间隔不变性考虑两无限接近事件，则i) 显然a不可能是空间和时间函数，这是因为空间和时间是均匀，若a是空间和时间函数，则在同一坐标系中，同样两个事件之间间隔将是不确定.ii) 因光速度在空间各个方向一样，故a与两个参考系之间相对速度方向无关.a=a(v)常期以来，时间绝对性和杆长绝对性在人们认识上是根深蒂固，在物体运动速度远小于光速牛顿力学范围内，实验或观测不会对这些观念提出挑战.如果不是因为在解释与光速有关实验结果发生困难；如果不是因为电磁场方程不满足伽利略变换下形式不变，人们是不会轻易放弃这些假定.如所周知，伽利略-牛顿力学基本定律（称为惯性定律）可以表述如
34、下：一物体在离其他物体足够远时，一直保持静止状态或保持匀速直线运动状态.这个定律不仅谈到了物体运动，而且指出了不违反力学原理、可在力学描述中加以应用参考物体或坐标系.相对于人眼可见恒星那样物体，惯性定律无疑是在相当高近似程度上能够成立.现在如果我们使用一个与地球牢固地连接在一起坐标系，那么，相对于这一坐标系，每一颗恒星在一个天文日当中都要描画一个具有莫大半径圆，这个结果与惯性定律陈述是相反.因此，如果我们要遵循这个定律，我们就只能参照恒星在其中不作圆周运动坐标系来考察物体运动.若一坐标系运动状态使惯性定律对于该坐标系而言是成立，该坐标系即称为“伽利略坐标系”.伽利略-牛顿力学诸定律只有对于伽利
35、略坐标系来说才能认为是有效.（摘自浅说第4节、伽利略坐标系全文）在物理学中几乎没有比真空中光传播定律更简单定律了，光在真空中沿直线以速度c=300，000公里秒传播.无论如何我们非常精确地知道，这个速度对于所有各色光线都是一样.因为如果不是这样，则当一颗恒星为其邻近黑暗星体所掩食时，其各色光线最小发射值就下会同时被看到.荷兰天文学家德西特根据对双星观察，也以相似理由指出，光传播速度不能依赖于发光物体运动速度.关于光传播速度与其“在空间中”方向有关假定即就其本身而言也是难以成立.总之，我们可以假定关于光（在真空中）“速度=c”是恒定这一简单定律已有充分理由为学校里儿童所确信.谁会想到这个简单定律
36、竞会使思想周密物理学家陷入智力上极大困难呢？让我们来看看这些困难是怎样产生.当然我们必须参照一个坐标系来描述光传播过程.我们再次选取我们路基作为这种参考系.如果沿着路基发出一道光线，根据上面论述我们可以看到，这道光线前端将相对于路基以速度c传播，现在我们假定我们车厢仍然以速度v在路轨上行驶，其方向与光线方向同，不过车厢速度当然要比光速度小得多.我们来研究一下这光线相对于车厢传播速度问题.显然我们在这里可以应用前一节推论，因为光线在这里就充当了相对于车厢走动人.人相对于路基速度W在这里由光相对于路基速度c代替.W是所求光相对于车厢速度.我们得到：W=c-v于是光线相对于车厢传播速度就出现了小于情
37、况.（摘自浅说第7节、光传播定律与相对性原理表面抵触第一、二、三段） 每一个运动着三维坐标系都有各自独立一个三维空间度量和一维时间度量，构成四维度量.在同一个坐标系里 ，能量读数是连续变化.在相对运动着不同坐标系里 ，各自四维度量应该是不同，这也是因为在相对运动着不同坐标系里，能量读数是不同缘故.然而坐标系主要表现为数学概念，而能量是客观存在.为了保证坐标系之间能量特征（包括动能和势能差值等等）连续性、一致性，坐标系之间度量必须建立相应变换关系.伽里略时空变换，是这样来认识两个相对运系统中，物质运动变化时空关系.在惯性系统中，有两个相对做匀速运动物理系统，和.在t=t，=0时，两个系统重合.当
38、，相对以速度V向X方向运动同时，从原点射出一光信号，光在两个系统中经过时间t，和t到达同一点P.对于光从原点到P点这个同一事件，伽利略认为时间是相等，空间是变化了，空间变化用速度迭加来处理.伽利略时空变换如下：（1）式和（2）式，就是伽利略时空变换表达式，伽利略变换对于两个空坐标之间时空关系表述是正确；伽利略变换，对于相对运动系统中，物质运动变化时空关系就不正确了.研究相对运动系统内物质运动变化规律，必须用相对论时空变换来处理，才能得到正确结果. 4、场概念兴起自牛顿时代以来最重要发明：场，用来描写物理现象最重要不是带电体，也不是粒子，而是带电体之间与粒子之间空间中场，这需要很大科学想象力才能
39、理解.场概念已被证明是很成功，由这个概念便产生了描写电磁场结构和支配电和光现象麦克斯韦方程.相对论加强了场概念在物理学中重要性，但是我们还不能建立一种纯粹是场物理学.直到目前为止，我们仍然需要认定场与实物两者并存.康德认识论指出：人不能认知不合乎自己思维模式知识，这也就是Einstein所说“现象与理论之间没有逻辑桥梁”.场开始是作为表述粒子间传递作用力方式而提出.为了帮助人们形象地理解电力和磁力现象，在一百多年前，法拉第和麦克斯韦想象出场概念.此后物理学家们一直认为那些力线本质上是虚构，只是为帮助人们更好地理解自然定律一种手段.但时至今日,越来越多物理学家相信,这些场可能是客观存在,并具有重
40、大物理意义.Einstein根据相对论首先提出：围绕在物体或粒子周围空间各式各样场应被认为是一种实在东西.静止电荷周围空间存在着一种特殊物质称为电场.在高压输电线附近存在着环绕电线磁力线和强大电场，这样环形磁力线和电场顺着输电线由发电站延伸到变压器.静电荷周围空间存在静电场被认为是由不能被探测到但却围绕在电荷周围空间虚光子构成,电荷间相互作用力是因为电荷间相互交换虚光子造成. Einstein：我一生主要工作：结合对空间、时间和引力新认识，创立相对论；提出质能等价定律和统一场论（未完成）；对量子论发展贡献.1938年，Einstein：相对论是从场问题上兴起.场是从牛顿时代以来最重要发明.实物
41、可以看作是场特别强一些区域，因而，场是唯一实在【1】.1954年，Einstein：我认为非常可能，物理学不能建立在场概念上.如果是这样，那么，我全部空中楼阁（包括引力理论在内），甚至连其他现代物理理论也一样，将荡然无存【2】.954年，Einstein：如果以场作为基本概念客观描述是不可能话，那么，就得找到一种完全避免连续统（连同空间和时间）可能性.但是，这样一种理论中可以使用什么样基本概念，我没有一丁点主见【3】.参考文献：【1】Einstein,英费尔德.物理进化.上海科学技术出版社，1962.178181.【2】许良英等编译.Einstein文集第三卷.北京：商务印书馆，1979.50
42、4.【3】 1954年10月28日Einstein致玻姆信 . 大自然探索：1987年第一期 5、以太论复兴机械振动只有在弹性介质中传播才形成机械波，在弹性介质中应用牛顿定律和胡克定律，即可建立机械波波动方程，一维横波波动方程为.系数为横波波速平方，即V=，若弹性介质中传播是纵波，以杨氏模量E代替切变模量N，为介质密度.由于机械波只能在介质中传播，因此可以建立介质这一特定惯性系，所表述波动方程只适用于这一特定惯性系，由介质弹性模量和密度所决定波速也是相对于这一特定惯性系，并且波速于波源运动状况无关.即波速于与波源相对于介质运动无关.即波速与波源相对于介质运动无关.机械波波动方程和波速这些性质是
43、否也适用于电磁波（包括光波）呢？电磁波有类似于机械波波动方程，那么，电磁波波动方程是相对于什么样参考系建立？真空中光速近似为m/s,这传播速度是相对于什么参考系.1727年James认为光以恒定速度在以太媒质中震荡传播，以太是静止，而地球是运动，如果以太不被地球拖曳，那么半年后地球绕日运动适相反，应有一偏转角.半年后James做了这个观测实验，测得了这个偏转角，说明以太不被地球拖曳，似乎以太就是绝对空间.1861年，英国物理学家麦克斯韦总结前人实验规律基础上，推导真空中电磁波波动方程，其一维形式真空波动方程为： 式中E是电场强度，是真空介电常数，是真空磁导率.以C2代表，则C= 这C恰好就是真
44、空中光速.麦克斯韦（Maxwell 18551862）于1862年提出，光是依“以太介质”传播电磁波，定名为“光电磁说”，见图1.图 1. 麦克斯韦光波电场和磁场1887年，H赫兹从实验上证实了电磁波存在，并将电磁现象与光统一起来.但是电磁波波动方程是根据麦克斯韦真空形式，在导出真空电磁波波动方程之始，人们就没有找到合适参考系，而不像机械波波动方程导出中需要用到依赖于介质胡克定律. 这是一个既重要，在当时又是使人十分困惑问题，而牛顿力学成功及其在当时物理学所处支配地位，以及对机械波所采取合理解释，都促使人们去构思和寻求一个适用于电磁波波动方程特定惯性系.于是人们假定真空中充满被称为以太（ether）介质，一维形式在真空波动方程及真空中光速是在以太这一特定惯性而言.由波动学可知波传播速度u为： 或 或 ，其中，G为固体切变模量，E为固体弹性模量，K为液体或气体体积模量，为媒质密度.总之，不管波是在固体还是在液体中传播，波传播速度都与媒质模量二分之一次方成正比，都与媒质密度二分之一次方成反比.根据麦克斯韦电磁场理论，光速，光速应该是随着介电常数和磁导率变化变量.19世纪，以太论获得复兴和发展，这首先还是从光学开始，主要是托马斯杨和菲涅耳工作结果.杨用光波干涉解释了牛顿环，并在实验启示下，于1817年提出光波为横波新观点，解决了波动说长