狭义相对论是时代的产物,而爱因斯坦恰好出现了!科技

/ / 2015-10-25
在人类历史上两位最伟大物理学家牛顿和爱因斯坦,他们都从事过引力方面的研究,使得天文学进入到引力天文时代。 这两位伟大的科学家,都有一个共同的特性,都崇尚简约之美...

在人类历史上两位最伟大物理学家牛顿和爱因斯坦,他们都从事过引力方面的研究,使得天文学进入到引力天文时代。

这两位伟大的科学家,都有一个共同的特性,都崇尚简约之美。

像牛顿曾说,源于极少数几个原理,欧几里得几何能够给出累累硕果,这就是几何的骄傲。

那么爱因斯坦也曾说过类似的这样话,都是从最简单的几个公理原理出发,构造整个理论。

狭义相对论的提出是在1905年,由爱因斯坦完成的,严格来说,爱因斯坦并非是独立完成了狭义相对论,是许多前人科学家共同的结晶。

伽利略变换

在20世纪初,物理学的天空存在有两朵乌云,其中一朵乌云就来自于迈克尔逊莫雷实验,这个实验使得人们引入了狭义相对论。

在物理学当中存在伽利略的时空观,他认为绝对静止是不存在的,在所有的惯性系当中力学规律都具有相同的形式,它满足伽利略相对性原理的要求,存在坐标的变换。

这就是伽利略的这样一个坐标变换

这个坐标变换,在力学当中取得了巨大的成功。

时间一直到19世纪中叶或者19世纪晚期,当电动力学发展起来之后,情况就发生了变化,Maxwell给了一个电磁学的场方程

麦克斯韦场方程

这个方程可以给出电磁波的波动形式,这是一个波动的解,这个波动形式给出传播速度就是光速。

那么现在问题就来了,这个速度它到底相对什么样的坐标系呢?

如果这样一个真空当中速度是对应某一个S系所进行的,那如果还存在另外一个S撇系相对S系存在有速度的话,那么按照伽利略坐标变换,那么C一撇和C之间就会有一个速度的差。

但是我们也知道,这个真空情况下,光速是由这两个物理常数所决定,那么C一撇显然无法满足这样一个要求。

所以说这就是使得Maxwell场方程不服从伽利略作为变换,他不满足伽利略的的协变性的要求。

所以在这个时候人们就面临一个问题,这个电磁波,它的光速到底是相对于哪一个坐标系?

问题提出来之后,人们肯定就要去思考,如何来通过实验验证这个问题?

在当时人们意识到,运动速度最高的一个物体是谁呢?实际上是我们地球绕着太阳做轨道运动,可以达到30公里每秒的速度。

迈克尔逊莫雷实验

所以人们构造了一个实验,像迈克尔逊莫雷实验,一个电磁波通过干涉的条文来研究,通过不同的传播路程,那这个电磁波到达时间是否有延时?

如果这个真空当中传播的速度跟某一个介质有关,这个介质人们认为它是存在一个绝对的参考系。

在这个绝对参考性当中,光速的传播是为C,并把这样个介质叫做以太。

那地球相对于这个绝对的参考系,以太它运动行为会怎样呢?

如果地球相对于以太存在有一定的速度的话,那么这个光沿着不同的路程过来,那它就会有时间上的差异。

但是测量的结果告诉我们,它没有时间差,实际上是这个结果也预示着我们,要么地球就是跟着以太一起在走,或者是拖曳着跟着以太一起走的。

那对于这个问题的给出,它是基于速度的平方所给出的结果。

人们实际上还构造了对速度的一次方的一些实验,其他这样实验所给出的结果实际上是部分拖曳的效果。

所以说这就存在了一个问题,为了解决这个疑难,洛伦兹引入了这样一个动尺缩短的这样概念,沿着运动的方向,这把尺子就可以缩短了。

这就可以把迈克尔逊莫雷实验的问题解决

而对于尺子为什么缩短,它的物理的本质原因是什么,并没有加以解释

狭义相对论

爱因斯坦,提出了狭义相对论,他把狭义相对论用最简洁的方式再现出来。

他首先给出第一条相对性原理说,物理定理在一切惯性系当中都具有相同的形式

这个说法跟伽利略的相对论非常的近似,但是对于伽利略的相对论时间和空间上是割裂的。

对于爱因斯坦而言,因为他把低速运动和高速运动相结合,使得时间和空间构成了整体,变成了时空。

第二条原理是光速不变原理,他认为在任何惯性系当中,真空中的光速都是一个常数,当然这个速度也是粒子能够达到的最大速度。

在狭义相对论下,可以给出一些预言,如动迟缩短,动钟延缓,运动物体的质量会增大。

对于这些预言,只有当粒子速度、运动物体的速度接近光速的时候才变得显著。

人们之所以对狭义相对论发现得比较迟,原因就是因为我们生活在低速的世界里。只有当麦克斯韦电磁波引入之后,这个问题才凸显出现。

也就是说,以前的人压根没往这方面想。所以,狭义相对论应时代而诞生,爱因斯坦也顺势而为。

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