《通识物理》狭义相对论简介

本来，麦克斯韦波动方程和迈克尔孙-莫雷实验所揭示的“光速不变原理”，和牛顿经典物理中的“速度相对性原理”，是处于水火不容的尖锐矛盾中，洛伦兹在经典物理框架下的调和也不完美。1905 年，在洛伦兹和普朗克等人工作的启发下，年轻的爱因斯坦终于突破经典物理理论的限制，从“光速不变原理”和“相对性原理”这对看似矛盾的基本原理出发（图8.16），通过严密的逻辑推理，包容性地提出了一个新的理论，这就是“狭义相对论”。

图8.16　爱因斯坦提出“狭义相对论”

首先，爱因斯坦根据牛顿的“速度相对性原理”做出了第一个思考，他认为：如果速度的大小是相对的，那么一个以光速飞行的人就可能看到静止的光波，即便达不到光速也应该可以看到光速的降低；当然，如果超过光速，光波就会倒退，这个分析结果不仅与麦克斯韦波动方程和迈克尔孙-莫雷实验所揭示的“光速不变原理”相悖，还会导致一些可怕场景和悖论事件，比如时间倒流。而“上帝”总会做出合适的安排，以避免这些悖论事件的发生。在爱因斯坦眼里，他的“上帝”就是宇宙中的物理定律，而要避免悖论事件的发生，所必须做出的“合适安排”则是假设一个理论前提：“在所有惯性系中，光在真空中的传播速度是相同的”，这就是狭义相对论的第一条基本原理——“光速不变原理”。需要特别强调的是，这里所说的光速不变是指光在真空中的传播速度不变，但是光在不同介质中的传播速度是可以不一样的，比如光在玻璃中的传播速度就要小得多。1999年，科学家还甚至实现了使光以每秒17米的缓慢速度通过一堆温度接近绝对零度的钠原子的过程。

其次，爱因斯坦根据坐车时的体验做出了第二个思考，他认为：一个人坐在火车的窗边，他看到外面一列原本停靠在相邻轨道上的火车开始向后运动，这时如果不依靠其他外部参照物（比如站台），这个人很可能无法区分是自己的火车开动了，还是旁边的火车开动了。换句话说：这时无论你的火车是开动还是静止，带给你的体验都是一样的。因此，我们用物理的语言可以表达为：做匀速直线运动的火车上的运动规律，与静止不动的火车上的运动规律是一样的，所以不能单纯通过物体的运动规律来判断火车的运动状态（比如：无论是在静止的火车里还是在匀速运动的火车里，蚊子都会慢悠悠地飞行、开水冒出的热气仍然会竖直上升，没有任何区别）。据此，爱因斯坦进一步认为，不仅是运动规律，所有的物理规律都应该具有这种“无法区分”的特性，也就是“一致性”。这个说法更简明的表述就是：“物理规律在所有惯性系中都是一致的”，而这就是爱因斯坦狭义相对论的第二个基本原理——“相对性原理”。其实，狭义相对论所揭示的“规律一致性”正是所有科学工作者的一种理念。由于地球在自转，同时又在绕太阳公转，所以地球上每个地点、每个时刻相对于太阳的速度都是不同的，如果物理规律在具有不同速度的惯性系中不一致，那么地球上不同地点不同时刻的物理规律都会不同，这岂不是要世界大乱了？比如，我们今天在兰州得出的科学结论，不仅不能适用于西安，还不能适用于明天；你今天游泳要向后划水，而明天要变成向前划水；今天在兰州是同性相斥，明天到成都又变成同性相吸。这样一来，不仅我们的生活会乱套，而且我们的科学研究也就失去了意义。因此，“相对性原理”是所有科学的一条基本原理。(www.xing528.com)

图8.17　光速疑难与狭义相对论

现在，根据狭义相对论的内容，我们可以这样来简单地理解“迈克尔孙-莫雷实验”的结果：如图8.17 所示，地球上任意方向都处于惯性系，那么显而易见，“光速不变”这条物理规律，也一定在地球任意方向上等效，也就是光速不变。狭义相对论的提出是物理学发展历史中的一次革命性事件，狭义相对论不是一个单纯的“论调或观点”，而是从普适意义的角度为物理学建立的一个更为完善的科学新体系，其地位与牛顿运动定律在经典物理中的地位一样至关重要。狭义相对论不仅揭示了牛顿所建立的经典物理学只是新体系中低速状态下的一种特殊情况，还和量子论一道引导近代物理学的研究进入了一个全新的时代。