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1、相对论的诞生 在最终突破、豁然开朗之前，那在黑暗中对感觉到了却又不能表选出来的真理进行探究的年月，那剧烈的愿望，以及那种时而充溢信念，时而担忧疑虑的心情全部这一切，只有亲身经验过的人才会体会 爱因斯坦 一个离奇的案件 有这样一个故事。 教授詹金斯和他的年轻助手校斯德，坐在开往南方的火车上，他们是应邀去参与爱因斯坦学术成就探讨会的。师生不停顿地沟通着对这位宏大科学巨匠的探讨成果。这时火车正从一个乡村小站的月台旁边驶过，月台上几乎是空的，只有站长和一个坐在行李手推车上看报的年轻搬运工人。突然，教授看到，站长双手向天举起，忽然倒在血泊里。火车停了下来，教授和他的助手，马上跳下火车。这时，他们看到，那
2、个年轻的搬运工人正向尸体跑去，还有一个车站警察也向出事地点赶来。警蔡检查了尸体之后，说子弹从心脏穿过。同时把一只大手按在搬运工人的肩上，说道：“我现在宣布逮捕你这个杀害、站长的凶手”。“我没有杀他啊！听见枪声，我正在看报哩！”工人竭力辩解：“不信你可以问这两位先生，他们从火车上下来时，也许什么都望见了。”教授立刻说明说：“我亲眼望见，当站长被枪杀时，这个工人正在看报。”警察用权威的声调说：“先生，你所看到的事情是什么也证明不了的。因为从火车里看他正在看报，但从月台上看，这个人在那一瞬间，可能正好在开枪。莫非你不知道，两件事，是不是同时发生。这取决于你从那一个系统视察问题吗？”警察还是坚持要把那
3、个工人带走。 教授的辩护 正在这时，教授上前阻挡道：“你这样疏忽是要负法律责任的。”接着教授进行了有劝服力的辩护。 教授说：“同时性这个概念的确是高度相对的，在不同的地点所发生的两个事务是不是可能同时，也的确取决干视察者的运动状态。但是作为一个法律工作者，只懂得这一点是远远不够的。科学可以为罪犯作证，也可以为罪犯开脱。不是吗？假如根据警察的推断，由于我们是坐在火车里，我们就只有在看到开枪的后果很久，才能看到开枪的动作。这就是后果发生在起因之前，莫非能够在打开酒瓶之前，就把瓶里的酒喝下去吗？警察的推断揭露了一个科举现象，但却忽视了另外一个特别重要的事实。那就是不论视察者的运动状态如何，他所看到事
4、实的时间依次，也就是因果关系是不能颠倒的。站长的死，肯定是要发生在开枪以后，无论从那个系统来看，都不行能有远未发出电报之前就看到电文的现象。因此，在我看来，没有看到站长倒在血泊里那一时刻，搬运工人在向站长开枪，确是一十特别重要、无可辩驳的事实。在警察所处的月台来看，尽管搬运工人看报，可能发生在站长被枪杀之后，但是警察无论如何也不能驳掉我所看到的事实。” 教授的辩护深深地打动了警察，确定不再抓走搬运工人。 这个故事虽然结束了，但是警察所提出的问题，的确是一个令人震惊的问题。时间同时性的相对性的确是一个事实。假如我们将两只钟放在以匀速v前进的火车的两端，我们选择火车的几何中点的地方来视察火车两端的
5、钟。现在从几何中点某一物体上放出一个光信号（假设光是等速的），那么，当信号从钟上反射进入我们的眼睛时，我们就说看到了，用这样的方法来校准钟。当两只钟的信号一块进入眼睛时，我们就说这两只钟的时间是一样了。在运动的火车中的视察者，因为感觉不出自己在运动，因此可以用这种方法“对时”。但是站在路基的视察者，就提出不同意这种“对时”的方法。火车以v的速度前进，从路基的视察者来看，车厢里的视察者好像向车前的钟跑去，看到的是，车前钟的信号先入他的眼睛，因此在路基视察者看这两只钟不是同时的。所以，在一个惯性坐标系里的同时事务，在另一个惯性坐标系看去，不再是同时了。 爆炸性的事实 这个使人迷惑不解的现象，竟然禁
6、锢了人们的思想二一百零一多年。宏大的科学巨匠爱伊斯坦正是从这里突破缺口，闪耀了创建性的思想火花。 自从17世纪，建立了牛顿经典力学体系之后，它在描述天体和地面上物体的运动规律是那么胜利，使当时的物理学家感到非常满意。以致使牛顿的成就跨越了他的前人，代表了一个科学时代的辩学大师。但是随着自然奇妙的不断被揭晓，牛顿力学的弱点不断地暴露出来。特殊是到了19世纪，随着电磁现象的深化探讨，出现了一系列与经典物理相抵触的现象，很多悖论出现。特殊是旧有的时空强论和电磁场的“以太”理论，锁住了科学家的思路。多少科学家，走到这里，不是退缩，就是裹足不前，踌不出这历史的门槛。 18世纪后，人们发觉了光的波动性，并
7、且提出光在真空中的传播也象声音在空间传播须要空气作媒介一样，光的传播也肯定有一种媒介，因而引入了“以太”的概念。人们设想，“以太”是充满在整个空间的一种物质。假如“以太”的确存在，根据经典理论，那么，象一列急驰的火车会带动四周的空气运动而产生一般风一样，地球在“以太”空间以每秒30公里的速度围着太阳公转，也应当有一股“以太风”。一一百零一零一多年来，人们始终在做着这种尝试。其中最闻名的是1887年的迈克尔孙-莫雷试验。试验设计如下：（如图）由光源L发出的光，一部分透过半透镜P到M1，反射回P后，再反射到目镜T中;另有一部分被P反射至M2再透过P到T。上述整个装置是固定在地球上的，由于地球相对于
8、“以太”的运动，两条光线到达T的速度不同，将有一相角差，从而在T上产生干涉条纹。若转动试验装置，使两束光线到达T的相角差变更，在T上的干涉条纹也应改变。也就是说光沿着地球运动的方向和与地球运动方向垂直的方向传播，由于受到“以太”的影响，速度是应当不同的。但出乎意料的是，经过多次反复试验，都没有得到预期结果，光线的传播速度没有任何改变。这一个和经典理论背离的事实，是一个爆炸性的事实，它向人们提出了旧的时空理论和电磁场的“以太”理论的缺口，能不能突破这个缺口，就确定着能不能创立相对論。在迈克尔孙-莫雷试验的面前，就接着这样的选择。要么放弃光速不变的事实，放弃哥白尼的地动学说;要么放弃“以太”学说。
9、这个选择，苦恼着多少科学家。 大自然并不把她内在的和谐轻易地呈献给一切人，只有那些勇于献身的人，才能窥见她的一班。在这严峻的分化面前，的确有很多科学家退却了。象基尔霍夫这样的科学家也气馁了，他说：“物理学将无所作为了，至多也只能在已知规律的公式的小数点后面加上几个数字罢了。”在物理学史上有卓越贡献的科学家洛仓兹，为了说明这些冲突现象，曾提出了一些理论和概念来弥补旧理论的缺陷，如提出了“局部时间”的概念，还给出了时空变换的洛仑兹公式。但他囿于机械观的偏见，不能摆脱旧时空观和“以太”理论的束缚，虽然走到了新理论的边缘，终不能突破，甚至哀叹道：“在今日很多人提出了与昨天他们说过的话完全相反的主见，也
10、不知科学是什么了，我很懊悔，我没有在这些冲突出现的五一百零一年前死去。”科学创见不属于怯懦的人，而属于那些对大自然奇妙具有剧烈的不行遏制的追求的人。 使一个不慣于思索的人感到懊丧和苦恼的事，对于有训练的探究者来说，是动力和指针。这些美的品德，恰恰被爱因斯坦所占有，因此创立科学新见的责任，自然就落在这位科学革新家的身上了。 怪诞的狂想 1895年，16岁的爱因斯坦，就曾经有过这样的设想，假如我骑在一条光上，去追逐一条光，将会产生什么现象呢？根据经典理论，就应当看到，这样的一条光线就好象在空间里振荡着的而且停滞不前的电磁场。但爱因新坦敏锐地感觉到，“看来不会有这种事情”，因为这与阅历，与麦克斯韦电
11、磁理论相冲突。再从迈克尔孙-莫雷试验来看，告知我们的也恰恰是光的传播速度，对于任何惯性参考系都是恒量，与光源的速度无关。这原委是试验事实不对呢？还是经典畅理出了毛病？爱因斯坦不囚禁思维，不迷信前人，他用那颗怀疑批判的头脑，大胆地去迎接这些挑战。 19世纪后期和20世纪初，随着生产实践的巨大发展，很多新的试验事实开阔了物理学的领域，同时也动摇了经典物理学的理论。如电子、x射线的发觉，推动了微观物理学的发展，而放射性的发觉和量子论的提出更是揭开了近代物理的序幕，射线中，高速电子已显示出惯性质量不是一成不变的等等。这些新的试验成果，对探究尚未相识的领域起了先导作用。而爱因斯坦正是冲破了荆棘蹊跷之路而
12、达到了一个新的科学的顶巅。他从浩如烟海、纷繁困难的资料丛葬中，从总结新的试验材料中，独具慧眼地挑出“光速不变这个具有确定性意义的事实，运用他的精湛的理论思维的实力，不断推想出新的结果来。正象马克思所说的：“在科学的入口处，正象在地狱的入口处一样，必需提出这样的要求：这里必需根绝一切迟疑，这里任何怯懦都无济于事”。爱因斯坦正是这样一个坚决果断地向旧时空观、“以太”理论发起进攻的勇士。他抛弃了“以太”学说，说明空间、时间，物质和物质运动并不是彼此孤立无关的，而是不行分割地紧密联系着的。空间和时间是统一的，是物质运动存在形式，随着物质运动形式而改变，这就打破了长期统治人们思想的旧时空观。时间的概念，
13、从来就被看作某种完全不依靠于空间运动的东西，它是匀称地流通着，不依靠于外界事物;空间也被看作是与物质运动相脱离的框子。爱因斯坦对于两种时空观念有一段形象的精采的论述。他说：“早先人们认为，假如由于某种奇迹，一个有形体的事物突然一下子消逝了，那么空间和时间仍会留下来。照相对论来说，空间和时间是和一切事物一起消逝的。”这就是爱因斯坦从狂想中捕获到的科学真理。 相对论的诞生 爱因斯坦的勤奋，使他从真理的树上摘下了累累硕果。他抛弃了“以太”假设，提出了狭义相对论的两个基本假设：相对性原理和光速不变原理。光速不变原理.我们已经很熟习了，相对性原理又是什么呢，仑就是加进了新的时空概念的狭义相对性原理，这个
14、相对性原理不再满意伽里略变换，而被一种新的洛仑兹变换所代替。这个变换是建筑在新的时空观念的基础上的，在洛仑兹变换中引进了三个重要概念：光速不变、同时性的相对性、空间间隔的相对性。这样就消退了光的传播定律和相对性原理的冲突，使狭义相对论成为探究普遍自然规律的定律，使人们无限赞美这构成大自然的神奇的和谐，以致使经典理论成为相对论在低速、小范围状况下的近似结果。对于低速范围内、狭义相对论所得结果与经典力学定律相差极微，甚至在实践中，此种差异未能明确地表现出来。总起来说，狭义相对论所赐予我们的基本结论是：（1）相对性原理有着相当广泛而精确牢靠的试验基础，应当作为物理学中的一个基本原理，适用于物理学的各
15、个领域。（2）依据迈克尔孙-莫雷试验的结果，应当认为光在真空中的速度对干任何惯性参考系都是不变的，与光源的速度无关。这个基本结论的普遍意义。就在于它建立在一个崭新的时空观念上，这个新的时空理论是物理学史上一个革命性的变革，具有划时代的意义，给物理学的发展带来了新的中兴，特殊对基本粒子物理和天体物理的探讨供应了重要的理论武器。 珍贵的探究精神 狭义相对论的成就，并没有使爱因斯坦这位科学大师感到满意。因为狭义相对论的应用范围还局限在匀速直线运动的状况，还不能说明加速运动和引力场的问题。于是爱伊斯坦又向自己提出了新的问题：狭义相对性原理的引入，解救了电磁理论的危机，使麦克斯韦电磁场方程与狭义相对论的
16、思想谐调起来，能不能找到一个更带有普遍化结果的广义相对性原理来解决加速运动和引力场问题呢？爱因斯坦带着对真理追求的剧烈感情，又向一个新的领域进军了。在引进引力质量和惯性质量相等的事实之后，爱因斯坦提出了广义相对性原理。当爱因斯坦进入对详细现象的定量描述和建立相对论理论体系时，遇到了数学学问不足的困难，但爱因新坦没有退缩，他花了六、七年的时间进行数学补课。为了这一个失策，爱因斯坦曾痛心地承认，这是一个错误。他在自传中说：数学，“在我求学时代并不太使我感爱好，因为我天真地认为对于一个物理学家来说，驾驭好基本的数学概念就够了。我认为数学里其余的部分对于相识自然是并不重要的奢侈品。这个错误后来我只好痛
17、心地承认了！”这个小的曲折，并没有锁住爱因斯坦创建性的思索，在数学家的帮助下，最终找到了描述相对论的数学工具非欧几何学。从而建立了完整的相对论理论体系。享受成功的喜悦，对谁都是一种妙不行言的华蜜，爱因斯坦称这个时期是“一生最紧要的时期”，“也是最有收获的时期。”此后，爱因斯坦又在进行关于整个宇宙的一些考虑，进行宇宙物质统一性的探讨。他从牛顿理论在宇宙论方面存在的一些困难入手，提出了一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性，以广义相对论为依据的空间结构以及统一场论的探讨，为现代宇宙学写下了光辉的一笔。 爱因斯坦的一生是光辉的，科学成就是巨大的。但是他留给我们的，不只是科学的硕果，而更珍贵的是他的怀疑精神、探究精神、创建精神和革命精神，这些精神就象他的科学成就一样闪烁着光线，散发着迷人的吸引力。 第10页 共10页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页第 10 页 共 10 页