|
|
|
|
|
|
|
|
上述不协调的状况，预示旧的物理观念即将向新的物理观念转变。
狭义相对论得以建立，关键在于爱因斯坦物理观念的原始创新
爱因斯坦洞察到解决上面所列电磁现象与牛顿理论冲突的关键是“同时性”的定义，也就是我们通常所说的时间的较准（即“对钟”）。
在牛顿－伽利略的惯性系中，时间坐标如何实现，这在1905年以前没有人研究过。为了比较不同地点的时间，必须使不同地点的时钟互相对准。实现牛顿－伽利略的时间坐标需要使用瞬时传播信号（从一点传播到其它任何点不需要花费时间），或者把时钟从一点移动到其他点。然而，在自然界中找不到瞬时传播的信号，传播最快的是光信号，而光速是有限的；另外，没有证据显示时钟的速率不受运动的影响，相反当时已经有了拉摩的“时钟变慢”假说。这就是说，牛顿时空理论（或伽利略坐标变换）中的时间没有办法在自然界中真正实现。在现实世界，人们都是使用光信号或电磁波信号来对钟的。爱因斯坦在1905年发表的题为《论动体的电动力学》的论文中，第一节就是“同时性的定义”，专门论述了为什么和怎么样使用光信号“对钟”。
爱因斯坦从论文的起始处便很清楚地表明：要使用光信号“对钟”，就要事先测量好光信号的速度，但是要测量光信号的速度，又要事先对准不同地点的时钟，这是一种明显的逻辑循环；事实上，各种不同类型的实验所测得的光速都只是双程平均光速而不是单向光速；单向光速为常数只是爱因斯坦的假定。所以，光速不变原理（光在真空中的传播速度是个常数，且与光源的运动无关）是个科学假设而非物理实验给出的经验规律。其实，著名的数学、物理学家彭加勒早在1905年之前就已经意识到真空中的光速可能是个不变的极限速度。但是，根深蒂固的旧物理观念阻止了他进一步追求新的物理学原理——光速不变原理。
总结起来，我们看到虽然狭义相对论中的主要方程式在1905年之前几乎全都有了，但是，不放弃牛顿的绝对时空观、不分析为什么和怎么样“对钟”、不提出与牛顿的速度相加定律相抵触的光速不变原理，就不会有狭义相对论。这就是说，像其他相对真理一样，物理理论研究的动力虽然主要来自物理实验，而且物理理论正确与否又要受到物理实验（实践）的检验。但是，这并不是说理论思维在建立新理论的过程中无足轻重。恰恰相反，物理理论不是物理实验的简单经验总结，而是通过理论思维完成从“感性”到“理性”的飞跃的结果。狭义相对论中光速不变原理的提出是如此，万有引力定律和麦克斯韦电磁理论的建立过程也是如此。例如，从太阳系中的行星运动总结出来的开普勒三定律是一种经验规律，只有把这种经验规律同“苹果落地”看成是出自同一个原因——万物之间皆存在同一的向心型的吸引力，牛顿才能得到他的万有引力定律；又如，在麦克斯韦之前早已从电磁学实验总结出各种经验规律，如库伦定律、法拉第定律、安培定律等等，麦克斯韦之所以能从这些定律发展成统一的电磁场方程，其关键也是物理观念的创新，即抛弃了牛顿的超距作用而使用了法拉第关于“场”的概念并引入了电位移矢量这一在上述经验规律中不曾出现的新的电磁场量。
狭义相对论和广义相对论，改变了人类的时空观
牛顿理论中的时间和空间既互相分离，又不受物质及其运动的影响，因而是绝对的和不变的；狭义相对论中的时间和空间是相互联系的，但是不包含物质及其运动带来的影响；广义相对论中的时间和空间既相互联系，又由于物质及其运动而产生了弯曲。所以，相对论的“相对”时空观与牛顿的绝对时空观在观念上有着本质的差别。我们通常说的“爱因斯坦推翻了牛顿理论而建立了相对论”，就是指物理时空结构的根本改变。
（作者为中国科学院理论物理研究所研究员、博士生导师）
< 1 > < 2 >
|
|
|
|
|
设为首页 | 加入收藏 | 广告服务 | 友情链接 | 版权申明
Copyriht 2007 - 2008 © 科普之友 All right reserved |
