經(jīng)典相對(duì)論原理

如果牛頓運(yùn)動(dòng)定律在一個(gè)參考系中成立，那么這個(gè)參考系叫做慣性系，另一個(gè)相對(duì)于一個(gè)慣性系勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)的參考系也是慣性系。

我們引用了伽利略的一段話(huà)，生動(dòng)地描述了在一艘平穩(wěn)運(yùn)行的大船上發(fā)生的事情。“船靜止時(shí)，你仔細(xì)觀察，蟲(chóng)子勻速向四面八方飛去，魚(yú)向四面八方自由游動(dòng)，水滴落入下面的鍋里；當(dāng)你向你的朋友扔?xùn)|西時(shí)，只要距離相等，你在這個(gè)方向上不會(huì)比在另一個(gè)方向上使用更多的力。雙腳一起跳，任何方向跳的距離都是一樣的。你仔細(xì)觀察這些東西后，讓船以任何速度移動(dòng)。只要?jiǎng)幼骶鶆?，不左右搖擺，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)以上所有現(xiàn)象根本沒(méi)有改變。你不能從他們中的任何一個(gè)確定。通過(guò)這樣的描述和日常經(jīng)驗(yàn)，人們很容易相信力學(xué)定律在任何慣性系中都是一樣的。這個(gè)討論叫做伽利略相對(duì)論原理。相對(duì)性原理可以有不同的表達(dá)方式。比如可以表示為:任何一個(gè)慣性參考系中的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，都無(wú)法判斷它是否相對(duì)于另一個(gè)慣性參考系勻速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)；換句話(huà)說(shuō)，任何慣性系都是相等的。

在不同的參考系中觀察，物體的運(yùn)動(dòng)可能不同。例如，在一個(gè)參考系統(tǒng)中，物體是靜止的，在另一個(gè)參考系統(tǒng)中，它們可能是運(yùn)動(dòng)的，并且它們的運(yùn)動(dòng)速度和方向在不同的參考系統(tǒng)中可能不同。然而，它們?cè)诓煌膽T性系統(tǒng)中遵循相同的力學(xué)定律，如遵循相同的牛頓運(yùn)動(dòng)定律和相同的運(yùn)動(dòng)合成定律...

光速造成的困難

自從麥克斯韋預(yù)言了光的電磁性質(zhì)和電磁波的速度，物理學(xué)家就一直在思考這個(gè)速度是針對(duì)哪個(gè)參考系的。如果有一個(gè)特殊的參考系O，光到這個(gè)參考系的速度為C，另一個(gè)參考系O′相對(duì)于參考系O沿光傳播方向以速度V運(yùn)動(dòng)，那么在O′中觀察到的光的速度應(yīng)為c-v，如果參考系O′逆著光傳播方向運(yùn)動(dòng)，則在參考系O′中觀察到的光的速度應(yīng)為C+V .

由于一般物體的運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)小于光速，而且c+v和c-v與光速C之差很小，在19世紀(jì)的技術(shù)條件下很難直接測(cè)量，所以物理學(xué)家設(shè)計(jì)了許多巧妙的實(shí)驗(yàn)，試圖測(cè)量不同參考系中光速的差異。最著名的實(shí)驗(yàn)是由美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜設(shè)計(jì)的，他將一束光分成兩條互相垂直的光束，其中一條光束的傳播方向與地球的運(yùn)動(dòng)方向相同。另一束垂直于地球運(yùn)動(dòng)的方向，然后導(dǎo)致它們干涉。如果不同方向的光速略有差異，兩束光互相替換時(shí)，干涉條紋會(huì)發(fā)生變化。因?yàn)榈厍蛟谟钪嬷懈咚龠\(yùn)動(dòng)，希望對(duì)光速有很大影響。然而，這個(gè)實(shí)驗(yàn)和其他實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)論光源和觀察者做什么樣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，光速都是相同的。這些負(fù)面結(jié)果震驚了當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家，因?yàn)樗煌趥鹘y(tǒng)。

狹義相對(duì)論的兩個(gè)假設(shè)

以上矛盾讓我們面臨一個(gè)艱難的選擇:要么放棄麥克斯韋電磁理論，要么否定一個(gè)特殊參考系的存在。愛(ài)因斯坦選擇了后者。他認(rèn)為既然力學(xué)定律在不同的慣性系中是相同的，我們自然會(huì)認(rèn)為電磁定律在不同的慣性系中也是相同的，也就是說(shuō)沒(méi)有特別的參考系(比如地球參考系，太陽(yáng)參考系，或者所謂的以太……)。

在不同的慣性參考系中，所有的物理定律都是一樣的。這個(gè)假設(shè)常被稱(chēng)為愛(ài)因斯坦的相對(duì)論原理。

另一個(gè)假設(shè)是:

真空中光速在不同的慣性參考系中是相同的，與光源和觀察者的運(yùn)動(dòng)無(wú)關(guān)。這個(gè)假設(shè)通常叫做光速不變?cè)怼?/p>

這兩個(gè)假設(shè)似乎是邁克爾遜實(shí)驗(yàn)的直接結(jié)論。為什么叫假說(shuō)？這是因?yàn)?，雖然實(shí)驗(yàn)表明了假設(shè)所說(shuō)的，但畢竟是有限的實(shí)驗(yàn)。只有基于這兩個(gè)假設(shè)的邏輯推理(包括數(shù)學(xué)推導(dǎo))得出的大量結(jié)論與事實(shí)相符，才能成為真正意義上的原理。

同時(shí)相對(duì)論

作為相對(duì)性?xún)蓚€(gè)假設(shè)的直接推論，我們將討論“同時(shí)性”的相對(duì)性，以認(rèn)識(shí)到相對(duì)性所描述的世界與我們的日常經(jīng)驗(yàn)有多么不同。

我們研究?jī)蓚€(gè)“事件”的同時(shí)性。在這里，“事件”可以指光子與觀測(cè)儀器的碰撞、閃電擊中地面以及嬰兒的出生...

假設(shè)一列長(zhǎng)火車(chē)在一條直線(xiàn)軌道上勻速行駛。車(chē)廂中央的光源發(fā)出閃光，擊中車(chē)廂的前后壁。這是兩個(gè)事件。馬車(chē)上的觀察者認(rèn)為這兩個(gè)事件是同時(shí)發(fā)生的。在他看來(lái)，這很好解釋?zhuān)驗(yàn)檐?chē)廂是一個(gè)慣性系統(tǒng)，光速相同，前進(jìn)和后退，光源在車(chē)廂的中心。閃光肯定會(huì)同時(shí)到達(dá)前后墻(圖A)。

車(chē)底觀察者不同意。他觀察到閃光首先到達(dá)后壁，然后到達(dá)前壁。他的解釋是，地面也是一個(gè)慣性系統(tǒng)，閃光前進(jìn)和后退的速度對(duì)于地面是一樣的。但是在閃飛向兩堵墻的過(guò)程中，車(chē)向前行駛了很長(zhǎng)一段距離，所以向前的光行駛的時(shí)間更長(zhǎng)，到達(dá)前墻的時(shí)間也更晚(圖B)。這兩個(gè)事件是不同的。

在經(jīng)典物理學(xué)家的心目中，如果兩個(gè)事件在一個(gè)參考系中看起來(lái)是同時(shí)發(fā)生的，那么在另一個(gè)參考系中也一定是同時(shí)發(fā)生的，這似乎是自然的，無(wú)需討論。但如果接受愛(ài)因斯坦的兩個(gè)假設(shè)，自然會(huì)得出“同時(shí)性是相對(duì)的”這個(gè)結(jié)論。為什么日常生活中沒(méi)有人意識(shí)到這種相對(duì)性？原來(lái)火車(chē)運(yùn)動(dòng)的速度遠(yuǎn)小于光速。在光從車(chē)廂中心傳播到前后墻的短時(shí)間內(nèi)，火車(chē)無(wú)法行進(jìn)很遠(yuǎn)的距離，所以地面觀察者不會(huì)發(fā)現(xiàn)閃光到達(dá)前后墻的時(shí)間差。

時(shí)間與空的相關(guān)性

時(shí)間間隔的相對(duì)性

經(jīng)典物理學(xué)認(rèn)為，在不同的慣性系中觀察到兩個(gè)事件時(shí)，它們之間的時(shí)間差，即它們的時(shí)間間隔，總是相同的。但是從狹義相對(duì)論的兩個(gè)基本假設(shè)出發(fā)，可以看出時(shí)間間隔是相對(duì)的。

以高速列車(chē)為例，假設(shè)列車(chē)地板上有光源，發(fā)出閃光。對(duì)于火車(chē)上的人來(lái)說(shuō)，閃光到達(dá)光源正上方高度h的小鏡子后被反射，然后回到光源的位置(如圖A所示)，往返時(shí)間為△t’。

對(duì)于地面觀察者來(lái)說(shuō)，情況就不一樣了。從地面來(lái)看，在光傳播過(guò)程中，列車(chē)向前移動(dòng)一定距離，所以被小鏡子反射后被光源接收到的閃光就是沿著AMB路徑傳播的光(圖B)。如果火車(chē)的速度為V，地面觀測(cè)者返回光源所用的時(shí)間為△t，那么可以用勾股定理得到

這是另一個(gè)令人驚訝的結(jié)論:至于閃光燈從光源發(fā)出，經(jīng)小鏡子反射后再返回光源所花的時(shí)間，地面人測(cè)得的結(jié)果和車(chē)上的不一樣，地面人認(rèn)為這個(gè)時(shí)間更長(zhǎng)。

更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)耐茖?dǎo)表明(1)具有普遍意義，即從地面上看，火車(chē)上的時(shí)間過(guò)程變慢。因?yàn)榛疖?chē)在行駛，火車(chē)上所有的物理、化學(xué)、生命過(guò)程都變慢了:時(shí)鐘跑得慢，化學(xué)反應(yīng)慢，甚至人的新陳代謝也慢...但是火車(chē)上的人沒(méi)有這種感覺(jué)。相反，他們認(rèn)為地面上的時(shí)間進(jìn)程比火車(chē)上的慢，因?yàn)樗麄?/p>