【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 107m,l=,估算出δ = 條紋。干涉條紋移動(dòng) 個(gè)，這在實(shí)驗(yàn)技術(shù)上是可以觀測(cè)到的。 邁克爾遜在 188 1887 年分別做了實(shí)驗(yàn)，所測(cè)出的 δ的結(jié)果為零。 1902 年莫雷和助手密勒（ ,18661941）又進(jìn)行了數(shù)次相同實(shí)驗(yàn)，他 們不斷提高了實(shí)驗(yàn)儀器的精度，并且根據(jù)當(dāng)時(shí)的觀點(diǎn)“可能離開(kāi)地面數(shù)千公里，地球還會(huì)曳引著以太一起運(yùn)動(dòng)”。于是他其中的一次還把實(shí)驗(yàn)裝置放在了高 1750m 的威爾遜山上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。然而實(shí)驗(yàn)結(jié)果比邁克爾遜所做的實(shí)驗(yàn)更接近于零。 1929 年邁克爾遜鄭重宣布沒(méi)有發(fā)現(xiàn)絕對(duì)速度。這就肯定了狹義相對(duì)論的正確性。 邁克遜 —— 莫雷實(shí)驗(yàn)是一系列以太漂移實(shí)驗(yàn)中最有影響的一個(gè)，這些實(shí)驗(yàn)動(dòng)搖了 19 世紀(jì)占統(tǒng)治地位的以太假說(shuō)，激勵(lì)當(dāng)時(shí)一些著名的物理學(xué)家致力于發(fā)展運(yùn)動(dòng)物體的電動(dòng)力學(xué)理論，從而為愛(ài)因斯坦創(chuàng)立狹義相對(duì)論鋪平了道路。 應(yīng)該指出，從邁克爾遜 — — 莫雷實(shí)驗(yàn)并不能直接得出狹義相對(duì)論。因?yàn)闇y(cè)不出以太對(duì)地球的漂移速度，還不足以否定以太本身，零結(jié)果還可以在保留以太概念的前提下加一些新的假設(shè)來(lái)解釋。但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)卻以其確鑿的證據(jù)揭示了以太學(xué)說(shuō)不可克服的矛盾。 洛倫茲變換 以太漂移實(shí)驗(yàn)是當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家都希望能得到證實(shí)結(jié)果的一次重要實(shí)驗(yàn)。這是因?yàn)椋獾牟▌?dòng)說(shuō)在 19 世紀(jì)初期復(fù)興之后，法國(guó)著名科學(xué)家笛卡爾在 1638 年引入的以太假說(shuō)也隨之復(fù)興，而以太也因此被認(rèn)為是傳播光波的載體。此后由于 麥克斯韋電磁理論的建立而使光波被認(rèn)為是一種電磁波之后，以即被認(rèn)為是光、電、磁 的載體可以由此得到證實(shí)，而且使作為牛頓力學(xué)理論基礎(chǔ)的絕對(duì)空間、絕對(duì)運(yùn)動(dòng)和絕對(duì)時(shí)間也可以由此得到證實(shí)。然而，邁克爾遜等人做了大量精密的干涉實(shí)驗(yàn)來(lái)測(cè)量“以太漂移”速度，即地球相對(duì)于以太的速度，但是，測(cè)量的結(jié)果在誤差范圍內(nèi)是零。這表明即地球在它運(yùn)動(dòng)時(shí)拖曳著以在跟它向前運(yùn)動(dòng)。原因只可能有兩個(gè)，或者地球相對(duì)于絕對(duì)空間（以太）靜止，或者是地球帶動(dòng)了自己周圍的以太一起運(yùn)動(dòng)。但是，后者與光行差試驗(yàn)矛盾，前者則等于是對(duì)哥白尼學(xué)說(shuō)的反動(dòng)，無(wú)異于承認(rèn)地心說(shuō)，承認(rèn)太陽(yáng)和諸星圍繞地球傳動(dòng)。 這樣的結(jié)論給物理學(xué)家們帶來(lái)各種各樣的困難。 擺脫這個(gè)困難的方式是什么？ 面對(duì)著經(jīng)典力學(xué)的嚴(yán)重危機(jī)，愛(ài)爾蘭物理學(xué)家菲茲杰拉德（ 18511901）、荷蘭著名物理學(xué)家洛倫茲（ 18531928）、法國(guó)著名物理學(xué)家龐伽萊等人在力圖挽救力學(xué)危機(jī)的努力中，為狹義相對(duì)論的誕生開(kāi)拓了道路。 1895 年愛(ài)爾蘭物理學(xué)家菲茲杰拉德和洛倫茲獨(dú)立地作出了大膽的假定：運(yùn)動(dòng)物體在沿著它的方向縮短了。一碼長(zhǎng)的棍棒當(dāng)沿它的長(zhǎng)度方向運(yùn)動(dòng)時(shí)比它靜止時(shí)短?；谶@個(gè)假定，邁克爾遜和莫雷的實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虻玫浇忉?，即把以太看做是靜止的、不隨著地球 運(yùn)動(dòng)的。用物質(zhì)的電學(xué)理論來(lái)解釋這個(gè)收縮假說(shuō)就部分地消除了這個(gè)收縮假說(shuō)的不可思議的情形。洛倫茲在這個(gè)假說(shuō)方面走得更遠(yuǎn)，他從數(shù)學(xué)上推導(dǎo)出距離和時(shí)間的加法法則。這個(gè)加法法則和牛頓力學(xué)是相背離的，并且一般都把它稱為“洛倫茲變換”。他已經(jīng)很接近于現(xiàn)代狹義相對(duì)論。 洛倫茲認(rèn)為，哥白尼學(xué)說(shuō)是對(duì)的，地球不可能是宇宙的中心，不可能相對(duì)于絕對(duì)空間（以太）靜止。光行差實(shí)驗(yàn)的結(jié)論也是對(duì)的，地球相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)，在以太中穿行。那么，邁克爾遜的干涉實(shí)驗(yàn)為什么測(cè)不出“以太漂移”速度呢？他認(rèn)為，這是因?yàn)橄鄬?duì)絕對(duì)空間運(yùn)動(dòng)的物體，會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向 上有一個(gè)收縮。例如，一把長(zhǎng) L0 尺子，如果沿相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的方向放置，那么，該尺會(huì)發(fā)生收縮 長(zhǎng)度縮短為 L0。式中 c 是以太中的光速， v 是尺相對(duì)以太（絕對(duì)空間）的運(yùn)動(dòng)速度。洛B A B A 116 長(zhǎng)度收縮 8 倫茲認(rèn)為，邁克爾遜實(shí)驗(yàn)中，干涉儀器的兩個(gè)鏡筒，一個(gè)沿地球運(yùn)動(dòng)方向，一個(gè)沿與地球運(yùn)動(dòng)相垂直的方向，前一個(gè)鏡筒會(huì)發(fā)生收縮，而后一個(gè)不會(huì)，正是這一收縮改變了光程的長(zhǎng)度，抵消了以太漂移的影響，使得儀器轉(zhuǎn) 900 后，干涉條紋不產(chǎn)生移動(dòng)。因此，邁克爾遜實(shí)驗(yàn)沒(méi)有測(cè)出，也不可能測(cè)出地球相對(duì)以太（絕對(duì)空間）的運(yùn)動(dòng)速度。這就解釋了邁克爾遜實(shí)驗(yàn)引出的疑難。 上 式所示的收縮，稱為洛倫茲收縮。為了導(dǎo)出這一收縮，洛倫茲把伽利略變換修改為洛倫茲變換，即 y? =y。z? =z。 根據(jù)伽利略變換，菲茲杰拉德和洛倫茲都發(fā)現(xiàn)，若以存在以參考系為前提，則只要引入這樣一個(gè)“收縮假說(shuō)”，即在以太參考系中一個(gè)靜止時(shí)長(zhǎng)度為 L 的物體，當(dāng)它以速度 v 相對(duì)以太參考系運(yùn)動(dòng)時(shí)，其長(zhǎng)度將收縮變短，這樣就可調(diào)和上述矛盾，從而挽救了經(jīng)典力學(xué)的危機(jī)。為此他們還用以太漂移實(shí)驗(yàn)的證偽結(jié)果從伽利略變換中推導(dǎo)出其收縮因子應(yīng)為221 cv?，在此基礎(chǔ)上洛倫茲在 1904 年推導(dǎo)出了一個(gè)新的時(shí)空變換關(guān)系： x? =221cvvtx?? y? =y z? =z t? =2221 cvcvxt?? 式中 c 為光速， v 為 S39。系相對(duì)于 S 系的速度。此式不僅在數(shù)學(xué)形式上不同于伽利略變換，而且在物理意義上也與伽利略變換不同。 洛倫茲變換中的 S 系（ x， y， z， t）是絕對(duì)參考系（以太參考系），即相對(duì)于絕對(duì)空間（以太）靜止的參考系，而 S39。系是相對(duì)于絕對(duì)空間以勻速 v運(yùn)動(dòng)的慣性系，所以洛倫茲變換表示的是一般慣性系與絕對(duì)參考系之間的變換。而伽利略變換所表示的是任意兩個(gè)慣性系之間的變換， S 系與 S39。系都可以不是相對(duì)于絕對(duì)空間靜止的慣性系， v 是兩個(gè)慣性系間的相對(duì)速度，不是絕對(duì)速度。 洛倫茲認(rèn)為，相對(duì)性原理不對(duì)，電磁規(guī)律并非在任何慣性系中都相同，麥克斯韋電磁理論只對(duì)絕對(duì)參考系成立。他建議用洛倫茲變換替代伽利略變換，并認(rèn)為任何相對(duì)于絕對(duì)空間運(yùn)動(dòng)的物體 都會(huì)在運(yùn)動(dòng)方向上發(fā)生收縮。他還認(rèn)為，洛倫茲收縮是一種物理效應(yīng)，這種收縮導(dǎo)致原子發(fā)生形變，會(huì)引起原子內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力并改變電荷分布。 洛倫茲變換的發(fā)現(xiàn)，實(shí)質(zhì)上是狹義相對(duì)論基本原理的發(fā)現(xiàn)。但是由于洛倫茲是從維護(hù)經(jīng)典力學(xué)的立場(chǎng)出發(fā)而推出這一變換關(guān)系的，因此他未能正確理解這一新的數(shù)學(xué)變換關(guān)系的物理涵義。 洛倫茲提出新的時(shí)空變換關(guān)系之后，法國(guó)數(shù)學(xué)家和物理學(xué)x y z y?y’ z’ x? v 圖 117 洛倫茲變換 圖 118 洛倫茲 （荷蘭） 9 家龐伽萊最先把它命名為“洛倫茲變換”，并對(duì)它作了進(jìn)一步的數(shù)學(xué)論證，但是，龐伽萊反對(duì)洛倫茲對(duì)這一變換關(guān)系的物理涵義所作的適合于經(jīng)典力學(xué)理論規(guī)范的解釋，尤其反對(duì)洛倫茲把收縮 假說(shuō)看成其變換的理論依據(jù)，龐伽萊從這一變換關(guān)系中敏銳地意識(shí)到，經(jīng)典力學(xué)的危機(jī)可能是一場(chǎng)產(chǎn)生新力學(xué)的革命危機(jī)，因?yàn)樾碌臅r(shí)空變換關(guān)系中蘊(yùn)含著人們尚未認(rèn)清的深遠(yuǎn)的物理意義。為此，他于 1904 年 9 月在美國(guó)作的一次物理學(xué)報(bào)告中，即預(yù)言必將有一種全新的動(dòng)力學(xué)產(chǎn)生。 正當(dāng)他們對(duì)此進(jìn)行研究時(shí)，愛(ài)因斯坦發(fā)表了相對(duì)論。 從 19 世紀(jì) 80 年代初到 20 世紀(jì)初期的種種物理學(xué)征兆說(shuō)明，狹義相對(duì)論的理論胚胎已經(jīng)在 19 世紀(jì)末的物理學(xué)危機(jī)中孕育成熟。 3. 狹義相對(duì)論 簡(jiǎn)言之，愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論是由兩條基本公設(shè)，一條基本結(jié)論和六條基本推論構(gòu)成的一個(gè)公理化的學(xué)說(shuō)體系。 其兩條基本公設(shè)是狹義相對(duì)性原理和光速不變?cè)?。光速不變?cè)碇福?在所有的相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中，光在真空中的速度都是相同的。狹義相對(duì)性原理指：在所有的相互作勻速直線運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系中，自然定律都是相同的。原理 2 涉及所有慣性系的觀測(cè)者的等價(jià)性，已為龐伽萊獨(dú)立獲得。原理 1 完全是愛(ài)因斯坦規(guī)定的。如果它是對(duì)的，就可以解釋邁克遜與莫雷試驗(yàn)的無(wú)結(jié)果現(xiàn)象。 在確認(rèn)光速不變這一實(shí)驗(yàn)事實(shí)的基礎(chǔ)上，愛(ài)因斯坦回顧了他在 16 歲時(shí)所想的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)：“倘使一個(gè)人以光速跟著光波跑，那么他就處在一個(gè)不隨時(shí)間改 變的波場(chǎng)之中?！痹诜磸?fù)思考這一思想實(shí)驗(yàn)的可能結(jié)果之后，愛(ài)因斯坦得出了否定的結(jié)論，這一結(jié)論實(shí)質(zhì)上是對(duì)絕對(duì)時(shí)空觀的否定，因此愛(ài)因斯坦后來(lái)認(rèn)為這一思想實(shí)驗(yàn)“是同狹義相對(duì)論有關(guān)的第一個(gè)樸素的理想實(shí)驗(yàn)”。 愛(ài)因斯坦不知道洛倫茲的工作，也沒(méi)有注意邁克爾遜實(shí)驗(yàn)導(dǎo)致的疑難。愛(ài)因斯坦認(rèn)識(shí)到，把伽利略變換看作相對(duì)性原理的數(shù)學(xué)體現(xiàn)是沒(méi)有根據(jù)的。相對(duì)性原理與伽利略變換并不等價(jià)。他認(rèn)為麥克斯韋電磁理論、相對(duì)性原理、伽利略變換三者存在矛盾，不可能都正確。 愛(ài)因斯坦深受奧地利物理學(xué)家馬赫的影響。馬赫不相信牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀，他勇敢地從哲學(xué) 的角度批判牛頓的觀點(diǎn)，愛(ài)因斯坦十分崇拜馬赫，深信他的觀點(diǎn)，認(rèn)為一切運(yùn)動(dòng)度是相對(duì)的，根本不存在什么絕對(duì)空間。所以，愛(ài)因斯坦認(rèn)為相對(duì)性原理必須堅(jiān)持。另外，麥克斯韋電磁理論是總結(jié)大量試驗(yàn)得出的結(jié)果，有堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，也不應(yīng)該懷疑。只有伽利略變換，貌似合理，其實(shí)并無(wú)可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。所以，愛(ài)因斯坦放棄了伽利略變換。從光速不變?cè)恚贷溈怂鬼f電磁理論）和相對(duì)性原理出發(fā)，他獨(dú)立導(dǎo)出了與洛倫茲變換完全相同的變換。但愛(ài)因斯坦得出的是任意兩個(gè)慣性系之間的變換，雖然數(shù)學(xué)形式上與洛倫茲變換完全相同，但物理解釋卻與洛倫茲大相徑庭。愛(ài) 因斯坦認(rèn)為，相對(duì)性原理成立，洛倫茲轉(zhuǎn)換是任意兩個(gè)慣性系之間的變換， v 是兩個(gè)慣性系之間的相對(duì)速度，不是相對(duì)于絕對(duì)空間的絕對(duì)速度。從這個(gè)變換，愛(ài)因斯坦也得出了洛倫茲收縮表達(dá)式。但他認(rèn)為，任何兩個(gè)相對(duì)以速度 v 運(yùn)動(dòng)的慣性系，都會(huì)認(rèn)為靜止于對(duì)方系中的尺收縮了。但這種縮短不是實(shí)質(zhì)性的縮短，而是一種時(shí)空效應(yīng)。 愛(ài)因斯坦把洛倫茲變換作為相對(duì)論理論的核心。但由于洛倫茲給出這一變換的表達(dá)式比愛(ài)因斯坦早，所以后來(lái)在相對(duì)論中仍稱為洛倫茲變換與洛倫茲收縮。洛倫茲雖然最早得出了變換表達(dá)式，但他對(duì)該式的理解是錯(cuò)誤的。他在相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi) 拒絕接受愛(ài)因斯坦的相對(duì)論，堅(jiān)持認(rèn)為洛倫茲變換是一種絕對(duì)變換，堅(jiān)持不同意相對(duì)性原理，不同意愛(ài)因斯坦對(duì)洛倫茲變換的解釋，不同意愛(ài)因斯坦的相對(duì)論。 四個(gè)思想實(shí)驗(yàn) 10 愛(ài)因斯坦又從四個(gè)思想實(shí)驗(yàn)中（以上已有一個(gè)思想實(shí)驗(yàn)，即光速極限論，還剩下以下