文档介绍：世界五千年
爱因斯坦与“相对论”
“相对论”被称之为受到教育的心智所能取得的最伟大的胜利。“相对
论”是科学巨匠阿尔伯特·爱因斯坦对现代物理学所作出的开创性贡献。
年,爱因斯坦在短短个月时间里,在物理学的三个不同领域里取得了重大
的突破。第一个是发展普朗克的量子概念,提出光束的能量在传播、吸收和
产生过程中都具有粒子性,即量子性,也就是光电效应理论。第二个是在分
子运动方面用统计学和力学相结合的方法为布朗运动做出了理论上的说明。
第三个也是最重要的一个就是狭义相对论。
物理学家们特别称道“相对论”,是出为它不像其他的理论那样随着时
光的流失而黯然失色,反而随着时间的推移变得更加光彩照人。“相对论”
的提出,它将时间、空间、能源和物质这些传统的概念击得粉碎。它的数学
表达式已经揭开了自然界一些最本质的秘密。它其中的一个方程式已成为原
子时代的中枢。
那么“相对论”理论讲了些什么呢?是如何产生?它的作用又是什么?
世纪年代开始的第二次技术革命,是以电力能源和内燃机的发明
和广泛应用为标志的。同第一次技术革命相比较,电气化是第二次技术革命
的主要特征。而第二次技术革命的理论准备则是电磁学的产生和发展。世
纪前半期,电和磁在理论上的重大成就,就在于为后来的电磁现象的实际应
用开辟了道路。但是在研究电磁现象领域时遇到了“以太疑难”。正是在解
决“以太之迷”的各种探索中,为“相对论”的诞生开辟了道路。
世纪年代到年代,法拉第、麦克斯韦建立了电磁场理论。但是,
当时麦克斯韦并没有认识到,电磁场本身就是一种独立的物质实体,而把“以
太”看成是电磁场的物质基础,同时又认为电磁现象则是“以太”的表现形
式。而赋予“以太”以多种不同的性质(惯性、弹性、透明性⋯⋯等),这
些性质往往相互矛盾,因而形成了“以太之迷”。
早在~ 年,布雷德利通过长期天文观察发现,恒星的表观位置
在一年内会发生变化,这称为光行差现象。年,菲涅尔按照“以太”是
绝对静止的假设,对光行差现象进行了解释。年,斯托克斯不同意“以
太”完全静止说,而认为“以太”会受外力作用而运动。为了证实这个问题,
科学家们从多方面对此进行研究。如果“以太”是绝对静止的,就应该存在
“以太风”,即可检测到地球相对于“以太”运动的速度。这种“以太”的
绝对静止和弥漫于整个空间的性质,正好对应着牛顿的“绝对空间”。由于
这个特点,更增强了“以太风”的兴趣。所以,从世纪中后期,直到
世纪初,“以太风”成了物理学发展中非常令人关注的问题。
年,彭加勒在美国圣路易斯艺术和科学大会的演说中,根据大量实
验事实,正式提出相对性原理这个名称。他说:“根据这个原理,无论对于
固定的观察者或者是匀速运动的观察者,物理定律应该是相同的,因此,没
有任何实验方法可用来识别我们自身是否处于匀速运动中。”
由于彭加勒也相信“以太”的存在,也没有对牛顿的绝对时空观产生怀
疑。因此,应该说其思想离“相对论”思想还有一定的差距。总之,爱因斯
坦是在电磁学理论取得了重大胜利,但还存在内部不和谐的情况下来开展自
己工作的。当时的物理学,已经从实验和理论两个方面为“相对论”的诞生
准备了一定的条件,但还没有达到揭示“相对论”思想本质的程度。
寻找“以太风”的失败,成为科学史上最伟大的负结果。尽管前面的人
已做了很大努力,但没有突破。问题已很明显,只有抛弃机械的“以太”去
创立看来似乎与常识相矛盾的学说才是克服紧张形势,找到正确出路的关
键。恩格斯在《自然辩证法》中也说过:“一个新的事实被观察到了,它使
得过去用来说明和它同类的事实的方式不中用了。从这一瞬间起,就需要新
的说明方式了——它最初仅仅以有限数量的事实和观察为基础。进一步的观
察材料会使这些假说纯化,取消一些,修正一些,直到最后纯粹地构成定律”。
爱因斯坦正是以这种精神,在新的实验事实面前革新了旧有观念,他比别人
站得更高,通过艰苦的思索和劳动,于年创立了“相对论”。
爱因斯坦在他年发表的《论运动物体的电动力学》的著名论文,揭
示了“狭义相对论”的原理。他指出:光的速度是不变的,它与观察者和光
源的运动速度无关;物体在运动时,不但它的大小发生变化,而且时间过程
本身也发生变化。他的理论说明了空间、时间、物质和物质运动并不是彼此
孤立无关的,而是不可分地联系在一起的。作为物质存在形式的空间和时间
统一成一个四维空时。空间和时间的性质随着物质的运动而变化。相对理论
破除了作为牛顿理论体系中的绝对空间、绝对时间的先验主义的概念,深刻
地揭露了物质世界的统一性。
“狭义相对论”是建立在爱因斯坦的两个假说上的。第一个是著名的狭
义相对性原理。从本