概念规律：狭义相对论的建立.pdf

狭义相对论的创立 狭义相对论是关于时间 空间和物质运动的理论 它是 2 0 世纪初以 来物理学发展的重大成就之一 它和量子力学一起 构成了现代物理学 以及当代高技术发展的基础 狭义相对论的创立 对人类的时空观 物 质观 运动观 因果观和宇宙观 都有重大影响 1 绝对时空观的困难 1 7 世纪 牛顿总结了机械运动的三个基本定律和万有引力定律 建 立了经典力学理论体系 全部经典力学的出发点是 惯性 和 惯性运 动 惯性运动 是指物体在不受外力时或者 绝对静止 或者作 匀速直线运动 这就对作为物体运动的 舞台 的空间与时间的属 性提出了要求 物体的 绝对静止 是以一个绝对不动的统一空间为其 场所的 而 匀速直线运动 则要求空间绝对 平直 时间节奏绝 对 均匀 而且整个宇宙的空间与时间是 等同 的 同时空间与时 间又是独立存在的 它限制和容纳着物体的运动 而不受物体及其运动 的影响 于是 牛顿在他的 原理 中就引入了绝对空间和绝对时间 来决定他的动力学生效的参照系 绝对的 真正的和数学的时间自身在流逝着 而且由于其本性而 在均匀地 与任何其他外界事物无关地流逝着 它又可以名之为 延续 性 相对的 表观的和通常的时间是延续性的一种可感觉的 外部的 通过运动来进行的量度 绝对的空间 就其本性而言 是与外界任何事物无关而永远是相 同的和不动的 相对空间是绝对空间的可动部分或量度 我们的感官通 过绝对空间对其他物体的位置而确定了它 并且通常把它当作不动的空 间看待 可以看出 牛顿是把绝对空间以及对于绝对空间作匀速直线运动的 参照系 作为他的运动定律能够成立的参照系 但是 仔细推敲起来 人们就会发现 这种绝对空间 绝对时间是 与伽利略相对性原理不相容的 因为相对性原理是不承认绝对静止的 当然也就不存在某种绝对的参照系 另外 既然绝对时间与绝对空间是 与外界任何事物无关 的 完全封闭的 又怎么能够通过某些过程被 人们测定和认识到呢 这不能不说是牛顿绝对时空观的一种固有矛盾 2 以太漂移 的探索 1 9 世纪初以来 随着光的波动说的复兴 作为传播光波的媒盾 以 太又成为物理学所不可或缺的一种 客观实在 为了解释光和电磁现 象 必须赋予以太一些奇妙的性质 所以在 1 9 世纪 人们提出了各种各 样的以太模型 但都无法摆脱以太的神秘色彩 仅仅从参照系的观点看 来 如果光是在以太中的传播过程 相对于静止的以太 光或电磁波的 传播速度必是各向同性的 事实上 在麦克斯韦的电磁学方程组里就出 现一个常数 c 它表明电磁波在真空中总是以不变的速度 c 向各个方向传 播 是各向同性的 但是按照经典的速度合成法则 相对于以太静止和 相对于以太运动的两种参照系 或者更广义地说在不同的惯性系中 光 或电磁波沿不同方向的速度就会出现明显的差别 不会是都等于 c的 若如此 就应该存在一个特殊的参照系 在这个参照系里 麦克斯韦方 程组才取标准形式 而对于其它参照系 麦克斯韦方程组都不应成立 这就是说 对于电磁现象的研究 可以定义一个最优惯性系 即相对于 以太静止的参照系 人们认为 这实际上就是牛顿的 绝对空间 而 且利用在静止以太中以恒定速度传播的光信号 又可以确定出在宇宙中 一切地点都同步的 绝对时间 这样 充满整个宇宙的绝对静止的以 太 就成了牛顿绝对时空观的物质框架 因而通过 以太漂移 的实验 探索以太的存在状态 就成了非常重要的问题 到 1 9 世纪后期 人们认识到关于以太风是否存在的问题 必须在测 定出与 v c 2成比例的二阶效应的情况下才能作出判定 但当时可利 用的最大速率就是地球的周年绕日轨道速率 即 3 0 千米 秒 它只为光 速的 1 0 4 所以 v c 2的二阶效应的数量级就是 1 0 3 1 8 8 1年 美国青年物理学家迈克耳孙 A A M i c h e l s o n 1 8 5 2 1 9 3 1 用他发明的干涉仪 进行了以太漂移的第一次观测 实验的原理 是这样的 如果地球穿行于静止以太中 按照经典速度合成法则 在地 球上沿不同方向发射的光对于地球将有不同的速度 将这些光叠加起来 就会产生干涉条纹 改变光的方向 干涉条纹也将移动 按照当时迈克 耳孙的计算 在将干涉仪整个转过 9 0 使它的两臂先后交替地平行和 垂直于地球运动的方向时 预期干涉条纹将可移动 0 0 8 个条纹 这是这 台仪器完全可以测出来的 但结果却出乎意料 只看到比预期值小得多 的不规则移动 迈克耳孙由此作出结论说 对这些结果的解释是 干 涉条纹并未发生移动 所以 静止以太的假设是不正确的 这是第一 次对二阶效应给出的明确结果 但由于实验数据比较粗糙 没有引起多 少注意 1 8 8 7 年 迈克耳孙和莫雷 E W M o r l e y 1 8 3 8 1 9 2 3 对原来的 实验做了重要的改进 考虑了地球的运动对垂直臂光线路径的影响 经 过来回八次反射 使一臂的光路长度从原来的 1 2 米增加到 1 1 米 将整 个装置浮架在水银池中 既避免了机械扰动 又易于旋转 于是 实验 的精确度大为提高 可望达到 0 4 个条纹的移动 1 9 8 7 年 7 月 他们完成了测量工作 结果发现 实际观测到的 干 涉条纹的 位移肯定小于预期值的二十分之一 或许还小于四十分之一 由于这个位移与速度的平方成正比 地球相对于以太的速度也许小于地 球轨道运动速度的六分之一 肯定小于四分之一 这就是历史上著名 的以太漂移实验的 零结果 从那以后许多人都不断提高精确度运用 这种类型的实验 去探测地球相对于以太的速度 都得到否定的结果 运用现代的激光技术 测量到 以太漂移 的速度上限约为 1 千米 秒 最新的不同实验测得的这一上限达到1 米 秒的数量级迈克耳孙对这个结 果感到十分失望 原来打算在不同季节继续实验的想法也取消了 为了解决以太漂移零结果的这个困难 洛伦兹 H A L o r e n t z 1 8 5 3 1 9 2 8 在 1 8 9 2 年晚些时候发表的 论地球和以太的相对运动 中 提出了著名的 收缩假说 在他之前 1 8 8 9 年爱尔兰物理学家菲兹杰 拉德 G F i t z g e r a l d 1 8 5 1 1 9 0 1 就已提出过相似的设想 菲兹杰拉 德认为 如果物质是由带电粒子组成打对于以太静止的量杆的长度将由 粒子间取得的静电平衡认为 如果物质是由带电粒子组成的 相对于以 太静止的量杆的长度将由粒子间取得的静电平衡决定 当量杆相对于以 太运动时 组成量杆的带电粒子将会产生磁场 从而改变粒子之间的平 衡间隔 量杆就会缩短 缩短的程度将取决于物体运动速度与光速的 比 即 现在洛伦兹也独立地提出 只要假定处于地球运 动方向的那个臂比另一臂缩短 则迈克耳孙实验就能够得 1 22 2 2 uc L Z v c 到圆满的解释 同时他还描述了收缩的物理过程 只要我们假定分 子力也象电力和磁力那样是通过以太传递的 那么平移很可能影响两个 分子之间的作用 其方式有点类似于荷电粒子间的吸引和排斥 分 子位移自然会引起分子的自动重新分布 从而导致在运动方向上按 1 1 2 2 v c 比例收缩 在运动方向上的这种长度收缩 适足抵消由经典的 的速度合成公式计算出来的时间延迟 这就解释了以太漂移实验的零结 果 在 1 8 8 9年发表的 简化理论 和 1 9 0 4年发表的 以小于光速的任 意速度运动的系统的电电磁现象 的论文里 洛伦兹把他的收缩假说进 行数学处理并作出系统和严密的阐述 具体地说 就是在他原先提出的 修改的伽利略变换 里的 X 和 t 的变换公式里 加上一个因子 1 1 22 vc 即 X Xy yz zt X tv c 2 同时对电场和磁场的变换式也作了相应的修改 于是 麦克斯韦方程组 的形式就可基本上保持不变 洛伦兹指出 根号因子的加入 正好相当 于在解释迈克耳孙 莫雷实验的结果时所作的收缩假说 他宣称 根据 这一变换 不仅能解释 v c的二阶效应 而且能解释任意阶的以太漂移 的零结果 这一组时空坐标变换式 就是著名的 洛伦兹变换 但是 他却坚信绝对参照系的存在 他关心的只是从这个假想的静止以太坐标 系出发得出坐标变换 以保证麦克斯韦方程组形式上的不变 变换到新 坐标系里的 有效坐标 x 和 当地时间 t 也不具有真实的意义 只 是一些假想的辅助概念 所以 洛伦兹所坚持的仍然是类似于牛顿的绝 对时空观 在他的理论中 坐标变换的意义是不清楚的 而且带有人为 穿凿的明显痕迹 在通向新力学的进程中 法国科学家彭加莱 H P o i n c a r e 1 8 5 4 1 9 1 2 提出过许多极有远见的论断 并预见到了新力学的许多特点 3 爱因斯坦创建狭义相对论的基本思路 正当洛伦兹的电子论和彭加勒对它的改进取得物理学界的公认之 际 1 9 0 5 年 9 月在德国 物理学杂志 上 发表了爱因斯坦划时代的论 文 论动体的电动力学 宣告了狭义相对论的诞生 这里试图根据他的 论动体的电动力学 这篇原始论文 他在晚年 写的学术回忆录 自述 1 9 4 6 1 9 2 2 年 1 2 月在日本京都大学所作的 讲演 我是如何创立狭义相对论的 以及其它一些资料 对他的创造思 路作一些追溯 在 论动体的电动力学 的一开头 爱因斯坦写道 大家知道 麦克斯韦电动力学 象现在通常为人们所理解的那样 应用到运动的物 体上时 就要引起一些不对称 而这种不对称似乎不是现象所固有的 他举例说 设想一个磁体同一个导体之间的电动力的相互作用 在这 里 可观察到的现象只同导体和磁体的相对运动有关 可是按照通常的 看法 这两个物体之中 究竟是这个在运动 还是那个在运动 却是截 然不同的两回事 这里所说的 通常的看法 就是指麦克斯韦的电 动力学理论 的确 无论磁体或导体谁在运动 导体中都会有相同的感 生电流 然而按照麦克斯韦理论 如果是磁体在运动 它的周围就会出 现一个具有一定能量的电场 如果是导体在运动 静止磁体周围就没有 电场 只是导体中产生电动势 这种电动势本身并不相当于能量 却也 会引起电流 这个简单的例子 清晰地揭示了运动物体电动力学中的 不 对称 这里所说的 不对称 就是指统一性遭到破坏 因为伽利略 相对性原理表明 所有的惯性系对于表述力学规律都是等效的 或者说 运动总是相对的 用任何力学实验都无法判断坐标系本身的绝对运动状 态 但是 在经典力学中普遍成立的这种运动的相对性现在在以 以太 为背景的麦克斯韦电动力学中却不成立了 或者说 在讨论运动物体的 电磁现象时 就要放弃运动的相对性 爱因斯坦认为 这种不对称性似 乎不应该是电动力学现象所固有的 这样 爱因斯坦一开始就把讨论引 入到实质性问题的思索 爱因斯坦把这种不对称与 企图证实地球相对于光媒质运动的实验 的失败 联系了起来 直接提出了一种原理式的猜想 绝对静止这概 念 不仅在力学中 而且在电动力学中也不符合现象的特性 倒是应当 认为 凡是对力学方程适用的一切坐标系 对于上述电动力学和光学的 定律也一样适用 对于第一级微量来说 这是已经证明了的 这个猜 想就是相对性原理 他说 我们要把这个猜想 它的内容以后就称之 为 相对性原理 提升为公设 在日本京都的讲演里爱因斯坦说道 在我还在读书时期 当我思考有关相对论的问题时 我逐渐了解到迈 克耳孙 莫雷实验的奇特结果 接着 我得出这样的结论 如果认为迈 克耳孙实验的零结果是事实的话 那么我们关于地球相对以太运动的想 法就是不正确的 这就是把我引导到狭义相对论的第一条思路 在 论动体的电动力学 论文中 谈到把 相对性原理 提升为公 设之后 爱因斯坦紧接着写道 并且还要引进另一条在表面上看来 同它不相容的公设 光在空虚空间里总是以 确定的速度 V传播着 这 速度同发射体的运动状态无关 这就是光速不变原理 经典力学中另一个与相对性原理相联系的是速度相加原理 如果说 爱因斯坦的狭义相对性公设是他推广了经典力学中的伽利相对性原理而 得到的话 那么狭义相对论的第二个公设 光速不变公设则是由于推广 了速度相加原理的结果 这是爱因斯坦创建狭义相对论的第二条思路 但是 光速不变性的概念 却同力学中的速度相加原理存在着明显 的矛盾 如何解决这个矛盾呢 在日本京都的讲演中他说 我觉得这 个问题很难解决我花了整整一年的时间 试图仿照洛伦兹的设想来解决 这个问题 但是徒劳无益 我是偶然间在伯尔尼的朋友贝索 M B e s s o 1 8 7 3 1 9 5 5 的帮助下获得了答案的 那是一个晴朗的日子 我带着这 个问题访问了他 我们讨论了这个问题的每一个方面 忽然我领悟到了 这个问题的症结所在 第二天我告诉他 我完全解决了这个问题 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 在时间与 信号传播速度之间有着不可分割的联系 利用这一新观念 我第一次彻 底解决了这个难题 就这样 在不到五个星期的时间内 爱因斯坦就 写好了那篇历史性的论文 论动体的电动力学 创建了狭义相对论理 论 可见 爱因斯坦是把考察 时间 的物理意义作为解决前述两概间 之间矛盾的突破口的 用爱因斯坦的话说 直到最后 我终于醒悟到 时间是可疑的 在 论动体的电动力学 中 爱因斯坦从操作的根据详细讨论了 时 间 的物理意义得出了同时性或时间的相对性的概念 论文中写道 由 此可见 我们不能给予同时性这概念以任何绝对的意义 两个事件 从 一个坐标系看来是同时的 而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标 系看来 它们就不再被认为是同时的事件了 这样 爱因斯坦就提出了狭义相对论的两个基本原理 1 物理体系的状态据以变化的定律 同描述这些状态变化时所参 照的坐标系究竟是用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关 系 2 任何光线在 静止的 坐标系中都是以确定的速度 V 运动着 不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的 应该指出 只是在经典观念上 这两条原理才被认为是互不相容的 但事实上 光速不变原理由于断言了光的传播定律在所有惯性系中的等 同性 所以它与相对性原理有着内在的一致性 爱因斯坦提出的惯性系 的等效性和真空光速 c值的普适性 是物理学思想发展史上的一个巨大 飞跃 标志着人类的认识已进入高速领域 促进了牛顿以来时空观上的 一场巨大变革 在 论动体的电动力学 论文的 3 从静系到另一个相对于它作 匀速移动的坐标系的坐标和时间的变换理论 中 在他的两个公设的基 础上 极其自然和简练地得到了不同惯性系 假定它们以相对速度 V 沿 X 方向作相对运动 的各个时空坐标之间确定的数学关系 用现代常用的 表述形式即 x xut uc 2 22 1 y y z z t t u c x uc 2 22 1 这就是现今所说的 洛伦兹变换方程 洛伦兹在 1 9 0 4 年曾经提出了这 种变换关系 不过 由于洛伦兹没有摆脱绝对时空观念 为了得出这组 变换竟提出了十一个特殊的假设 现在爱因斯坦独立地得出了它 他事 先并不知道洛伦兹 1 9 0 4 年的工作 而且 在爱因斯坦这里这组变换只是 两个基本原理的必然结果 这是符合爱因斯坦关于理论的简单性的信念 的 他认为 自然界是和谐而简单的 因而简单性也应该是判定一个理 论的完善性的重要原则 4 狭义相对论的主要结论 空间的相对性 长度缩短 效应 时间的相对性 时钟延缓 的效应 光在真空中的传播速度 c 的根限性 质量的相对论性效应 相对论质能关系 以太漂移 的探索 在物理学思想的发展中 以太 e t h e r 是作为一种特殊物质被 引进物理学的 1 7 世纪 法国科学家笛卡尔 R D e s c a r t e s 1 5 9 6 1 6 5 0 为了解释物体之间的作用力 特别是万有引力现象 最先赋予了以太以 某种力学性质 在他看来 空间被以太这种连续的媒质所充满 物体之 间的所有作用力都是通过它的应变和运动来传递的 不存在任何超距作 用 当胡克 R H o o k e 1 6 3 5 1 7 0 3 和惠更斯提出光的波动说时 以 太又充当了光波的载体 因为按照当时的力学理论 任何波动都是某种 媒介物质的力学振动的传播 由于光可以在真空中传播 因此以太必然 是充满全部空间的 包括真空和对于光是透明的各种物体之中 既然以太是充满整个空间和物体之中的 那么运动物体是否对以太 有影响 也就是说以太是否会被运动物体所拖曳 是全部拖曳 部分拖 曳还是根本不拖曳 在 以太漂移 的观测和研究中 产生了许多令人 困惑的难题 1 7 2 8 年英国天文学家布莱德雷 J B r a d l e y 1 6 9 3 1 7 6 2 所发现 的 光行差 现象 可以看作是关于 以太漂移 的早期观测 他发现 从地球上观测一颗遥远的恒星 在地球的绕日公转周期内 望远镜的方 向也作相同周期的改变 只要简单地把地球公转的速度 v和光速 c作矢 量加减 便可得出恒星实际方位和视在方位的角度差别 即望远镜应向 地球运动的方向倾斜一个角度 而且 tg v c 这个计算结果与实际观测完全符合 恒星周年视差或先行差现象意味着 太阳相对于以太是静止的 地球则以绕日以转速度 v 在以太海洋中穿行 丝毫不对以太有拖曳作用 因为如果以太被地球拖曳着一起运动 那么 望远镜镜筒里装着的将是相对静止的以太 望远镜也就不需要沿地球运 动的方向倾斜了 光行差现象也就不会出现了 但是 如果以太完全不被地球拖曳 运动着的地球就应当感到有 以 太风 这种以太风将会对从不同方向射到地球的星光产生不同的影响 这些速率不同的光线就会在通过望远镜的玻璃透镜时呈现出不同的折射 率 从这种考虑出发 1 8 1 0 年法国科学家阿拉果 D F J A r a g o 1 7 8 6 1 8 5 3 用望远镜观察来自不同方向恒星光线 企图发现由 以太风 的 作用而产生的这种效应 却意外地得出了否定的结果 1 8 1 8 年 菲涅耳 A J F r e s n e l 1 7 8 8 1 8 2 7 在得知阿拉果的结 果后 写信给阿拉果提出了部分拖曳假说 他指出 只要假设以太有确 定的一部分被运动物质曳引 就可以同时使布莱德雷和阿拉果的实验得 到解释 他假设 整个宇宙空间的以太是静止着的 在以太中运动着的 透明物体 本身并不拖曳着与真空中密度相同的这部分以太一起运动 但是 透明物质按其折射率 n的大小 吸收了比真空中更稠密的以太 超过真空密度的这部分以太 将被透明物质拖曳着一起运动 菲涅耳假 设 介质内的以太密度同它的折射率 n的平方成正比 因此 介质内超 出真空的那部分以太的密度应应该同 n 2 1 成比例 这超出部分占介质内 以太总数的份额便是 n nn 2 22 1 1 1 这就是菲涅耳的 曳引系数 因此 对于以速度 U 运动的 折射率为 n 的介质中的光速 c 就有 菲涅亘公式 c c nn v 1 1 2 c n 为静止介质中的光速 后一项即 曳引 项 在真空中 由于 n 1 曳引系数为零 就回到了布莱德雷的条件 菲涅耳还指出 即使在望远 镜中装满了水 从而使望远镜内光速的大小改变了 也不会影响到所观 察的光行差的数值 1 8 7 1 年 英国天文学家艾里 G B A i r y 1 8 0 1 1 8 9 2 用充水的望远镜测量了光行差 证实了菲涅耳的预言 1 8 5 1 年 法国物理学家菲索 A H L F i z e a u 1 8 1 9 1 8 9 6 设计了一个实验 用干涉方法测定流水中的光速 以检验光在运动的透 明物体中的速度是否发生变化 他让一束单色光经半镀膜玻璃片的反射 与透射分为两束相干光 让它们沿相反方向被反射镜反射沿一闭合路线 再会聚到一起产生干涉条纹 在行进中一束光穿过同向流动的水 另一 束光则逆向穿过这同一水流 实验开始时令水速为零 两束光由于光程 相同而形成明亮干涉条纹 然后让水流速度逐渐增大 确实观察到了干 涉条纹发生了明暗交替的变化 菲索在论文中写道 假如水流的速度 为 2 米 秒时 就可以明显看到干涉条纹的位移 所以让水流速度在每秒 4 7 米的范围内变化 测得准确的条纹位移是不成问题的 他测得曳 引系数为 0 4 6 与菲涅耳的理论值 0 4 0 很接近 他说 如果考虑到水 速的测量不十分准确 再加上水在管中的流速不十分均匀 实验的结果 还是可靠的 所以 菲索的实验以及后来的改进型的实验 都证实了 菲涅耳的以太部分拖曳假说 由于实验中物体的运动速度 v比真空光速 c过小 所以菲涅耳当时 就断言 只在 v c的一阶效应范围内 任何实验都不可能发现物体相对 于以太的运动速度 即感觉不到 以太风 这样一来 本来在以太模 型里相对于以太静止的优越参照系的特殊性 却在 v c一阶效应范围内 被湮没了 因而光学现象只与物体的相对运动有关 即各个惯性系对光 学现象的描述都是等价的这一 光学的运动相对性 竟是由于以太的 特别性质而偶然造成的 并不具有象力学的相对性原理那样的原则意义 与菲涅耳相反 英国物理学家斯托克斯 G G S t o k e s 1 8 1 9 1 9 0 3 却不相信物体可以在以太中自由穿行而不生扰动 他于 1 8 4 5 年提出了以 太被运动物体全部拖曳的假说 他认为 地球将把贴在它表面上的那层 以太完全拖曳走 离地面愈高 这种拖曳就愈减弱 直至很远处的以太 完全不受影响而静止不动 不难想到 这个模型很可能受到他曾经研究 过的物体在粘滞流体中的运动的理论的影响 他能够用这个模型推导出 菲涅耳的曳引系数 但为了避免使来自恒星的光穿过一层层运动速度不 同的以太时会受到偏折并使其速度发生改变 斯托克斯不得不对以太的 性质和运动附加一些特别的假设 才能解释有关的光学现象 而这些假 设又是与力学定律相矛盾的 这使他的全部拖曳假说遭遇了无法克服的 困难 关于光学多普勒效应的实验 也表明在 v c的一阶效应范围内 光 学多普勒效应也仅取决于观察者和光源之间的相对运动 发现不了以太 风的存在 总之 到 1 9 世纪后期 关于以太风是否存在的问题 人们认识到必 须测出与 v c 成比例的二阶效应 才能作出判定 当时可利用的最大 速率就是地球的公转率 即 3 0 千米 秒 它只为光速的 1 0 4 所以 v c 2的数量级只有 1 0 8 连麦克斯韦在 大不列颠百科全书 的有关条目里 也表示 考虑到等于地球轨道速度的相对于以太的速度所引起的传播 时间的增量 将只有全部传播时间的一亿分之一 因而是全然觉察不到 了 1 8 7 9 年 3 月 麦克斯韦由于得到美国航海年历局的托德 C P T o d d 寄给他的一份有关木星的天文表 写信向托德致谢 信中同时询问了通 过在地球运动轨道的不同部位所进行的木卫食的观测数据 是否有足够 的精确度来确定太阳系相对于以太的绝对运动速度 v 他具体设想 利用 半个地球年的两个位置 分别测出两个木卫食的时间 再把太阳系的速 度考虑进去 得到两个时间差值计算式 再根据地球运动轨道的直径值 就可以算出太阳系的绝对速度 托德在回信中说 由于天文数据的精确 度较差 进行计算是无意义的 不过麦克斯韦在信中还指出 是否可在 地面上进行某种实验 测出地球相对于以太的速度 这种实验所观测的 相对时间变动可由下式计算 t L cv L cv LC cv L c v c 22 1 22 2 2 这是一个 v c的二阶效应 他在信中写道 地面上一切测量光速的方 法 都是使光沿同一路径返回 所以测不出地球相对于以太的速度 只 有地球运动速度和光速之比的平方 才会对往返的时间产生影响 但这 个量是极小的 无法观测出来 麦克斯韦关于地面上双程光路实验不可能检测到 v c 2这样微小 的效应的这段话 引起了托德的年青同事迈克耳孙 A A M i c h e l s o n 1 8 5 2 一 1 9 3 1 的强烈兴趣 决心实现麦克斯韦提出的通过二阶效应来测 定以太漂移速度的想法 由此引出了迈克耳孙的著名工作 迈克耳孙 A l b e r t A b r a h a m M i c h e l s o n 1 8 5 2 1 9 3 1 美国物理学 家 1 8 5 2 年 1 2 月 1 9 日生于普鲁士斯特雷诺 今波兰斯特尔诺 两岁 时全家移居美国 他在 1 8 6 9年入安那波利斯国立海军学院学习 1 8 7 3 年毕业后留校任基础课讲师 1 8 7 9 年转到华盛顿的航海年历局工作 1 8 8 0 年去欧洲进修 先后在柏林 海德堡 巴黎等地受教 1 8 8 2 年回国 受 聘为克利夫兰的开斯应用科学学院物理学教授 1 8 8 9 年任伍斯特的克拉 克大学物理学教授 1 8 9 2 年起担任新建的芝加哥大学第一任物理系主任 直到 1 9 2 9年退休 1 9 0 7年获得了诺贝尔物理学奖 1 9 2 3 1 9 2 7年还担 任美国科学院院长 1 9 3 1 年 5 月 9 日在帕萨迪纳逝世 迈克耳孙以毕生精力从事光速的精密测量 1 8 7 9 年他用自己改进了 的傅科方法 获得光速值为 2 9 9 9 1 0 5 0 k m s 1 9 2 3年他在加利福尼亚 的两个相距约 3 5 公里的山头之间 测得的数值为 2 9 9 7 9 8 4 k m s 在 他有生之年 他一直是光速测定的国际中心人物 1 8 7 9 年 3 月 J C 麦 克斯韦 J a m e s C l e r k M a x w e l l 1 8 3 1 1 8 7 9 写信给美国航海年历局的 D P 托德讨论测定地球相对于以太的速度问题 激起了他从事这类实 验的热情 为了提高测量精度 他设计了一种干涉仪来测定地球相对于 以太的运动 1 8 8 1 年的测定结果是否定的 1 8 8 4 年开尔文和瑞利访美 鼓励迈克尔孙提高精确度重做这个实验 于是迈克尔孙和美国化学家 物理学家 E W 莫雷 E d w a r d W i l l i a m s M o r l e y 1 8 3 8 1 9 2 3 合作 改进实验装置 精度达到 2 5 1 0 1 0 于 1 8 8 7 年重复了 1 8 8 1 年的实验 结果仍未发现条纹有任何移动 这便是物理学史上著名的迈克耳孙 莫 雷实验 它动摇了经典物理学的基础 为了解释这个实验的否定结果 c F 菲兹杰拉德 G e o r g e F r a n c i s F i t z g e r a l d 1 8 5 1 1 9 0 1 于 I 8 8 9 年 H A 洛伦兹于 1 8 9 2 年先后提出了长度收缩假说 为 A 爱因斯坦 建立狭义相对论准备了思想基础 迈克耳孙首倡用光波波长作为长度基准 他在 1 8 9 3 年提出用镉的红 线为标准波长 核定了基准米尺 1 9 2 0 年自己设计的星体干涉仪测量了 恒星参宿四的直径为太阳的 3 0 0 倍 这是第一次测量恒星尺寸 摘编自 中国大百科全书 物理卷 洛伦兹 H e n d r i k A n t o o n L o r e n t z 1 8 5 3 1 9 2 8 荷兰物理学家 1 8 5 3 年 7月 1 8日生于阿纳姆 1 8 7 0年入莱顿大学学习数学 物理学和 天文学 1 8 7 5 年获博士学位 1 8 7 7 年任某顿大学理论物理学教授 一直 在该校任教 3 5 年 1 9 1 2 年 洛伦兹到哈勒姆担任一个博物馆的顾问 1 9 1 9 年在荷兰政府教育部门任职 1 9 2 1 年担任高等教育部部长 1 9 1 1 1 9 2 7 年 他担任索尔维物理学会议的固定主席 洛伦兹在物理学上最重要的贡献是他的电子论 他的博士论文的末 尾 他提到把光的电磁理论与物质的分子理论结合起来的前景 这就是 他后来创立电子论的根源 1 8 7 8 年 他发表了光与物质相互作用的论文 把以太与普通的物质区别开来 认为以太是静止的 无所不在 而普通 物质的分子则都有带电的谐振子 在这个基础上 他导出了分子折射率 的公式 即洛伦兹 洛伦茨公式 1 8 9 2 年 他开始发表电子论的文章 他认为一切物质的分子都含有电子 电子是很小的有质量的刚球 电子 对于以太是完全透明的 以太与物质的相互作用归结为以太与物质中的 电子的相互作用 在这个基础上 1 8 9 5 年他提出了著名的洛伦兹力公式 另外 1 8 9 2 年他研究过地球穿过静止以太所产生的效应 为了说明迈克 尔孙 莫雷实验的结果 他独立地提出了长度收缩的假说 认为相对以 太运动的物体 其运动方向上的长度缩短了 1 8 9 5 年 他发表了长度收 缩的准确公式 即在运动方向上 长度收缩因子为 年 1 22 vc 1896 P 塞曼 P i e t e r Z e e m a n 1 8 6 5 1 9 4 3 发现放在磁场中的光源 其光 谱线发生分裂 塞曼效应 洛伦兹立即用他的电子论对这一现象作了 定量的解释 由于这一贡献 他和塞曼共同获得 1 9 0 2 年的诺贝尔物理学 奖 1 8 9 9 年 他在发表的论文里 讨论了惯性系之间坐标和时间的变换 问题 并得出电子质量与速度有关的结论 1 9 0 4 年 他发表了著名的变 换公式洛伦兹变换 和质量与速度的关系式 并指出光速是物体相对于 以太运动速度的极限 此外 他在热力学 物质分子运动论和引力理论 等方面 也都有过贡献 洛伦兹还是一位教育家 他在莱顿大学从事普通物理和理论物理教 学多年 写过微积分和普通物理等教科书 他为人热诚 谦虚 受到 A 爱 因斯坦 E 薛定谔 E r w i n S c h r d i n g e r 1 8 8 7 1 9 6 1 和其他青年一 代理论物理学家们的尊敬 除了获得诺贝尔物理学奖以外 他还被英国 皇家学会授予朗福德奖章和科普利奖章 洛伦兹于 1 9 2 8 年 2 月 4 日在哈勒姆逝世 荷兰王室和政府以及很多 国家的科学院都派代表到哈勒姆参加他的葬礼 爱因斯坦作为新一代理 论物理学家的领袖和普鲁士科学院的代表 在安葬仪式上发表讲话 称 他为 我们时代最伟大和最崇高的人 摘编自 中国大百科全书 物理卷 彭加勒 J u l e H e n r i P o i n c a r 1 8 5 4 1 9 1 2 法国数学家 物理学 家和天文学家 亦译庞加莱 1 8 5 4 年 4月 2 9日生于南锡 1 8 7 1年入巴 黎工艺学院学习 1 8 7 5 年毕业后又到矿业学院学习 在作博士论文时期 曾短期任矿业工程师 1 8 7 9 年以微分方程方面的论文获数学博士学位 同年应聘为卡昂大学数学教师 1 8 8 1 年起任巴黎大学教授 1 8 8 7 年被选 为巴黎科学院院士 1 9 0 6 年被选为院长 1 9 0 8 年被选为法国科学院院士 1 9 1 2 年 7 月 1 7 日在巴黎逝世 彭加勒一生中研究的领域广泛 几乎涉及到数学 物理学和天文学 的各个主要分支 数学方面的成就 使他成为 1 9 世纪后期数学界的权威 之一 完成自守函数理论是他最早的成就 以后在数论 代数学 几何 学 拓扑学以及概率论等方面都有开创性的工作 尤其是在分析方面 如函数论 微分方程等分支的贡献更为重要 他还在发现了逻辑悖论的 情况下复活了直觉主义 成为现代直觉主义者的先驱 在天文学方面 他的主要贡献是 论证了旋转流体的平衡图形 1 8 8 5 太阳系的稳定 性 即多体问题 1 8 9 9 太阳系的起源 1 9 1 1 在 三体问题 上 他运用渐进展开和积分不变量等方法 深入地研究出微分方程在奇点附 近的积分曲线的性质 从而发展了严格的天体力学计算技术 彭加勒精于理论物理 他研究了三维连续区内的有关问题和许多关 于导热的问题 还论证了狄利克雷问题 1 9 2 0 世纪之交 物理学发生 了危机 然而彭加勒认为所谓的危机 是物理学就要出现一场变革的先 兆 他明确地指出 要摆脱危机 就要在新的实验基础上重新改造物理 学 使经典物理学的某些基本概念扩展为更为广泛的物理学概念 彭加 勒在这场变革中对物理学的几个领域的发展都作出了贡献 由于他在光 学方面的研究成果 促使 H 贝可勒尔 H e n r y B e c q u e r e l 1 8 5 2 1 9 0 9 发现了铀的放射性 1 8 9 8 年 他提出了在真空中不变的假设 1 9 0 2 年 他阐明过相对性原理 并将它推广到电磁学 1 9 0 4 年 他预示了新力学 的大致图像 惯性随速度而增加 光速是不可逾越的根限 在新的力学 里 原来的力学理论将在一定条件下近似正确 在 1 9 0 5 年写的 论电子 动力学 的论文中 他证明洛伦兹变换形成一个群 并阐述了这个变换 的物理意义 他甚至在具有确定的正度规 x 2 y 2 z 2 2的 四维空间 中使用了不变性理论和虚时间坐标 i c t 因此 他被认为是相对论的 先驱对量子论原来不很熟悉 在 1 9 1 1 年索尔维物理学会议之后 进行了 深入研究 并认为量子论是自 I 牛顿 I s a a c N e w t o n 1 6 4 2 1 7 2 7 以 来自然哲学所经历的最伟大 最深远的革命 在逝世前几个月 他还提 出了 时间原子 的大胆思想 彭加勒在 2 0 世纪初先后出版了 科学与假设 1 9 0 2 科学的 价值 1 9 0 5 科学与方法 1 9 0 8 等科学哲学著作 他是约定 论的创始人 认为科学的一些基本原理既不是经验事实的归纳 也不是 先验综合判断 而是一种约定 他还论述了假设 真觉和科学美在科学 发现和形成科学理论中的作用 这一切对 A 爱因斯坦以及其他科学家都 产生了明显的影响 摘编自 中国大百科全书 物理卷 爱因斯坦 A l b e r t E i n s t e i n 1 8 7 9 1 9 5 5 是 A 爱因斯坦是 2 0 世纪最伟大的自然科学家 物理学革命的旗手 1 8 7 9 年 3 月 1 4 日生于德 国乌耳姆一个经营电器作坊的小业主家庭 一年后 随全家迁居慕尼黑 在任工程师的叔父等人的影响下 爱因斯坦较早地受到科学和哲学的启 蒙 1 8 9 4 年 他的家迁到意大利米兰 继续在慕尼黑上中学的爱因斯坦 因厌恶德国学校窒息自由思想的军国主义教育 自动放弃学籍和德国国 籍 只身去米兰 1 8 9 5 年他转学到瑞士阿劳市的州立中学 1 8 9 6 年进苏 黎世联邦工业大学师范系学习物理学 1 9 0 0 年毕业 1 9 0 1 年取得瑞士国 籍 1 9 0 2 年被伯尔尼瑞士专利局录用为技术员 从事发明专利申请的技 术鉴定工作 他利用业余时间开展科学研究 于 1 9 0 5 年在物理学三个不 同领域中取得了历史性成就 特别是狭义相对论的建立和光量子论的提 出 推动了物理学理论的革命 同年 以论文 分子大小的新测定法 取得苏黎世大学的博士学位 1 9 0 8 年兼任伯尔尼大学编外讲师 从此他 才有缘进入学术机构工作 1 9 0 9 年离开专利局任苏黎世大学理论物理学 副教授 1 9 1 1 年任布拉格德语大学理论物理学教授 1 9 1 2 年任母校苏黎 世联邦工业大学教授 1 9 1 4 年 任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学 教授 直至 1 9 3 3 年 1 9 1 5 年建成了广义相对论 他所作的光线经过太阳 引力场要弯曲的预言 于 1 9 1 9 年由英国天文学家 A S 爱丁顿 A r t h w r S t a n l e y E d d i n g t o n 1 8 8 2 1 9 4 4 等人的日全食观测结果所证实 全世 界为之轰动 爱因斯坦和相对论在西方成了家喻户晓的名词 爱因斯坦 以其在理论物理方面的成就 特别是 光电效应定律 的发现而获得 1 9 2 1 年诺贝尔物理学奖 1 9 3 3 年 1 月纳粹攫取德国政权后 爱因斯坦是科学 界首要的迫害对象 幸而当时他在美国讲学 未遭毒手 3 月他回欧洲后 避居比利时 9 月 9 日发现有准备行刺他的盖世太保跟踪 星夜渡海到英 国 1 0 月转到美国普林斯顿 任新建的高级研究院教授 直至 1 9 4 5 年退 休 1 9 4 0 年他取得美国国籍 战后 为开展反对核战争的和平运动进行 了不懈的斗争 1 9 5 5 年 4 月 1 8 日因主动脉瘤破裂逝世于普林斯顿 遵照 他的遗嘱 不举行任何丧礼 不筑坟墓 不立纪念碑 骨灰撒在永远对 人保密的地方 为的是不使任何地方成为圣地 爱因斯坦的科学生涯开始于 1 9 0 0 年冬天 1 9 0 0 1 9 0 4 年 他每年都 有一篇论文发表于德国 物理学杂志 特别是在 1 9 0 5 年之后 他在物 理不的许多领域中 都做了开创性的重大贡献 1 9 0 5 年 6 月爱因斯坦写了一篇开创物理学新纪之的论文 论动体的 电动力学 完整地提出了狭义相对论理论 他从自然界的统一性的信 念出发 把伽利略发现的力学运动的相对性这一基本实验事实 提升为 一切物理理论都必须逆循的基本原理 同时又把有关 以太漂移 实验 所显示的光在真空中总是以一确定速度 c传播这一基本事实也提升为原 理 他还从考察两个在空间上分隔开的事件的 同时生 入手 否定了 绝对时间 绝对空间以及 以太 的存在 以两个基本原理为前提 爱 因斯坦推导出不同惯性系的坐标之间的变换关系 洛伦兹变换 证明了 麦克斯韦方程组对于洛伦兹变换的不变 即协变 性 并把原来对伽利 略变换是协度的牛顿力学定律加以改造 使之满足洛伦兹变换下的协变 性 这样 力学和电磁学就在运动学的基础上统一起来 在狭义相对论建立之后 爱因斯坦又力图把相对性原理的适用范围 推广到非惯性系 1 9 0 7 年 他从惯性质量同引力质量相等这一古老实验 事实找到了突破口 提出了等效原理 引力场同参照系的相当的加速 度在物理上完全等价 1 9 1 3 年 在他大学时期的同班同学 当时在母 校任数学教授的格罗斯曼 M G r o s s m a n n 1 8 7 8 1 9 3 6 的帮助下 提 出了引力的度规场理论 在 1 9 1 5 年 1 1 月 2 5 日的论文 引力的场方程 中 建立了真正普遍协变的引力场方程 宣告 广义相对论作为一种罗 辑结构终于完成了 狭义相对论和广义相对论的建立 揭示了空间 时间 物质 运动 的紧密联系 是人类对自然界认识过程中的一次巨大飞跃 1 9 1 6 年春天 爱因斯坦写了 广义相对论的基础 完成了广义相 对论的总结 同年 6月 他在研究引力场方程的近似积分时 发现一个 力学体系变化时必然发射出以光速传播的引力波 1 9 7 9 年 从对射电脉 中双量P S R 1 9 1 3 1 6 的周期变化的长期观测中 间接证实了引力波的存在 1 9 1 7 年 爱因斯坦用广义相对论的结果来研究整个宇宙的时空结构 发表了开创性的论文 根所广义相对论对宇宙学所作的考查 他在引 力场中引进了一个宇宙学项 得出了宇宙在空间上是有限无界的结论 这一工作使宇宙学摆脱了纯粹猜测性的思辨 进入现代科学领域 在人 类认识宇宙的历史上是一个革命性的创举 在 1 9 0 5 年 3 月烈军属的论文 关于光的产生和转化的一个启发性观 点 中 爱因斯坦发展了普朗克的量子论 提出了光量子假说 认为对 于时间平均值 即统计的平均现象 光表现为波动 对于瞬时值 即 涨落现象 光则表现为粒子 这是历史上第一次揭示了微观客体的波 粒 象性 他用光量子概念轻而易举地解释了光电效应现象 推导出光电 子的最大能量同入射光的频率之间的关系 1 9 0 6 年 他把量子概念扩展 到物体内部的振动上 基本上说明了低温条件下固体比热同温度间的关 系 1 9 1 2 年他把光量子概念用于光化学现象 建立了光化学定律 1 9 1 6 年他综合了量子论发展的成就 写了论文 关于辐射的量子理论 提 出关于辐射的吸收和发射过程的统计理论 从量子跃迁概念推导出普朗 克的辐射公式 他所提出的受激辐射概念 为 6 0 年代发展起来的激光技 术提供了理论基础 在广义相对论建立之后 爱因斯坦依然感到不满足 要把广义相对 论进一步推广 寻求建立一种统一场的理论 他认为这是相对论发展的 第三个阶段 它不仅要把引力场和电磁场统一起来 而且要把相对论和 量子论统一起来 为量子物理学提供合理的理论基础 从 2 0年代到 5 0 年代 爱因斯坦几乎把他全部的科学创造精力都投入到统一场论的探索 但始终没有取得成功 晚年的爱因斯坦在物理学界非常孤立 但他依然 执著地走他所认定的探索真理的道路 直到临终前一天 他还在病床上 准备着统一场论的数学计算 虽然他的这一追求一度遭到冷落 但 7 0 年 代以来物理学实验和理论的一系列发展 统一场论的思想又以新的形式 显示出它的生命力 爱因斯坦深刻体会到科学思想的成果对社会的影响 一个知识分子 对社会应负的责任 他在不断追求科学真理的同时 也以极大的热忱关 心社会 他一贯反对侵略战争 反对军国主义和法西斯主义 反对民族 压迫和种族歧视 为人类进步和世界和平进行不屈不挠的斗争 在哲学 思想上 爱因斯坦是一个富有探索精神的唯理论思想家 这种唯理论思 想贯穿在他的科学观 人生观 社会观 道德观 教育观和宗教观中 使他崇尚理理性 相信人类的进步 努力使科学造福人类 把真 善 美融为一体 我是如何发现相对论的 A 爱因斯坦 A l b e r t E i n s t e i n 1 9 8 2 英文译者说明 众所周知 当爱因斯坦于 1 9 2 2 年被授予诺贝尔物理学奖时 他正在 日本访问 因而未能参加当年 1 2月在斯德哥尔摩的授奖仪式 1 2月 1 4 日 爱因斯坦应京都大学哲学教授西田几多郎的邀请 做了题为 我是 如何发现相对论的 演讲 这个演讲对大学任课教师与学生都是相当重 要的 爱因斯坦的演讲用德语进行 也没有底稿 当时是由东北大学物 理学教授埃史瓦拉 J I s h i w a r e 先生作的翻译 埃史瓦拉先生曾在 1 9 1 2 1 9 1 4 年间在索末菲手下作研究工作 他当时作了详细的记录 并 于 1 9 2 3 年在月刊 K a i z o 上发表 这是爱因斯坦这次演讲的唯一一份准确 的记录 爱因斯坦关于自己思想的自述具有极为珍贵的历史价值 正因 如此 我决定将它译成英文 这篇自述有助于我们对目前流行着的争论 问题有进一步的理解 例如在 1 9 0 5 年爱因斯坦提出狭义相对论时 是否 知道了迈克尔孙 莫雷实验 这篇自述还有助于我们了解爱因斯坦在相对 论研究方面的其它一些工作 谈论我如何开始产生相对论思想是一件很不容易的事 因为激发我 思考的事物是如此之多 在相对论思想发表的不同阶段上 每一种思考 所产生的影响又很不相同 我不准备在这里把我想到的东西以及所写的 论文一一列举出来 我只是打算把与相对论有关的思想发展过程作一个 简短的说明 我第一次萌发相对论想法大约在 1 7 年前 这种想法究竟从哪里开始 说不太准确 但是肯定它与运动物体的光学特性有关 光在以太中传播 而地球又在以太中运动 换句话说 以太在相对地球运动 在物理文献 中 我曾试图找到一个明确证明存在以太风的实验 但是没有成功 后 来 我想要证明以太风相对地球运动 在最初 当我有这种想法时 我 并没有怀疑以太的存在 也就是不怀疑地球相对以太的运动 于是 我 设想了这样一个实验 利用几个平面镜 使发自光源的光信号在不同方 向上被反射 其中一束光与地球的运动方向平行 另