爱因斯坦的三大著名理想实验与相对论提出：详解

十九世纪末、二十世纪初是物理学的重大转折时期，爱因斯坦几乎单枪匹马地打开了现代物理学的大门。在爱因斯坦的一系列伟大的科学探索过程中，理想实验起了非常重要的作用，成为爱因斯坦创造性发现的根源和进行科学想象的一种独特思维方式。狭义相对论的建立就是一个生动而典型的例子。

1.狭义相对论思想萌芽——理想实验一

1895年，爱因斯坦16岁，提出了如下一个理想实验：若牛顿力学正确，则存在以光速匀速运动的惯性系。若使此惯性系运动方向与光波一致，假如一个人在此惯性系上观察光波，将会看到什么？显然，若伽利略变换正确，在以光速运动的惯性系中，观察者将看到，由于自己同波峰波谷一起运动，电磁场强度在空间各点虽有不同，但在任一给定点上是不随时间变化的，就像用瞬间拍照而冻结的海浪图样。

面对这一理想实验结果，爱因斯坦敏锐地认识到“不会有这样的事情”。

他分析到：（1）麦克斯韦方程不容怀疑，赫兹已在7年前用实验证实了电磁波的存在；麦克斯韦方程是波动方程，满足方程的可能解应是时空中的波。“冻结的海浪图样”不是麦克斯韦方程的可能解。（2）相对性原理不容怀疑，相对性原理是自然界普遍存在的事实，对电动力学同样成立；惯性系中的观察者看到的一切物质的运动规律应该与一个相对于地球静止的观察者看到的相同。

理想实验的结果意味着在以光速运动的惯性系中，麦克斯韦方程不再是波动方程，相对性原理对电动力学不成立。

那么，问题出在哪里呢？通过对理想实验条件的逐一分析，爱因斯坦认为观察者以光速运动的假设是没有事实依据的。从而推论观察者不能以光速运动，而且无论通过任何形式的惯性系速度变换，也不能达到或超过光速。光速不仅是电磁波传播的速率，而且是一切物理作用传播速度的上限，尽管“极限速率c”的推论与牛顿定律和伽利略变换相冲突。

理想实验推动了爱因斯坦狭义相对论思想的产生。从理想实验发现问题到最后问题的解决——狭义相对论诞生，爱因斯坦用了整整10年时间。

2.质能等价原理——理想实验二

在牛顿力学中，质量与惯性本来是两个根本不同的概念。质量是指物质所含原子的数量。对一个给定物体，其原子数是不随运动变化的，所以质量也是不变的。惯性是物体保持其原来的静止状态或匀速直线运动状态的一种固有属性。牛顿假设这种属性总是同具有这种属性的物质的量成正比。由此建立了物体惯性与物质含量的联系，即物体惯性的大小可由物质含量的多少确定，物质含量的多少也可由物质惯性的大小来确定。因此惯性同质量一样是与运动无关的量。

但是，1901年，德国科学家考夫曼（W.Kaufman）在实验中发现了电子质量随速度而变化。1904年，洛伦兹甚至对电子推导了速质公式。他们的工作强有力地提示了物体的质量或惯性与运动有关，随速度变化。(www.xing528.com)

爱因斯坦敏锐地认识到这些实验结果与极限光速原理是协调的。若物体速度增大，质量（惯性）也增大，物体就越难加速；当速度趋于光速时，若其质量（惯性）趋于无穷大，那无论加多大的力，也不能加速。因此，任何物体的速度都不可能超过光速。问题在于既然质量（或惯性）已经不能用原子数的多少来度量，那么它究竟可用什么来度量？爱因斯坦凭他天才的直觉，依靠对想象的理想实验进行分析获得了质量与能量的关系。

理想实验的结果表明，物体的质量（或惯性）发生了变化，而且质量（或惯性）的增减量与吸收或发射的能量成正比，比例系数为c2。由此看来，物体能量的增减伴随着相应质量（或惯性）的增减，物质的质量（或惯性）应该与能量相联系而不是与原子数相联系。而且，这种联系不是人为的假设，而是纯粹科学原理论证的结果。在此理想实验基础上，爱因斯坦做了进一步推广：这种质能关系不仅存在于光辐射过程，而且适用于所有实物粒子，是物质的普遍属性。

3.静止质量m0的解释——理想实验三

静止质量是物体相对于一惯性系速度为零时的质量。爱因斯坦也用理想实验证明它与物体所含原子数的多少无直接关系。

设一装有若干小球的封闭箱子，箱子与小球在所选定的惯性系中都静止，箱子与小球只有静止质量。保持箱子的静止状态，使小球像气体分子一样做无规则运动，从而小球具有动能。这时，小球的运动使质量增加，共同作用的结果使仍然保持静止状态的箱子的静止质量增加。这一理想实验的结果表明，按照相对论质能关系，物体的外部动能与物体的内部动能同样可增加物体的质量；并且，物体的静止质量也与自身的能量（内能）相联系。就像一块烧红的铁，比冷却时有更大的质量。

尽管这一结果是在机械能范围内论证的，但爱因斯坦大胆地将其外推到一切形式的能量，包括机械能、电磁能、热能等，都统一于惯性质量。因此，物体的质量就是物体所含能量的体现。物体的静止质量就是物体内部各种能量（热能、电磁能、核能等）的总和。

通过理想实验和大胆的外推，爱因斯坦论证了质量和能量的完全等价性。把原来毫不相干的两个重要守恒定律，即能量守恒和质量守恒，借助于相对论统一为一个自然定律。

从上述三个理想实验可以看到，继承前人有价值遗产的同时，发挥独立的批判精神，运用正确的科学研究方法，是爱因斯坦创立狭义相对论的基础。这也是科学家们进行科学创造的共同重要特点。落体定律、惯性定律、万有引力定律、狭义相对论和广义相对论的建立都并非依靠日常经验与直接观察。恰恰相反，是毁灭直观的观点而用新的观点代替它。从常识出发，通过实验分析，再进行抽象思维，在纯粹理想的条件下发现自然定律，理想实验成为科学家们领悟自然规律的一种普遍方法。

由于现代科学研究的内容越来越远离经验的范围，理论体系高度抽象化和脱离直觉经验这些特征日益加强，这使通常的思维方式，如传统的归纳和演绎方法，很难成为创造的根源。而创造性思维，如抽象思维、科学想象、理想实验、试探猜测和大胆假设等，以及直觉、灵感等方法，在建立新理论中的作用愈加突出。

在全面发展素质教育的今天，我们更加深刻的认识到，要培养学生的创新能力，应该教会学生怎样去创新的具体方法。因此，在教学过程中不断地向学生介绍并灌输科学家们的创新方法应该与传授三基知识同等重要。而理想实验这种集科学抽象、试探猜测和大胆假设为一体的理性思维无疑是一种有效的好方法。