爱因斯坦狭义相对论的时空观念

白城师范学院 物理系 佟 华

爱因斯坦狭义相对论的时空观念

白城师范学院 物理系 佟 华

1905年，爱因斯坦发表了《论动体的电动力学》，在这篇论文中他提出了一种新的时空关系理论——狭义相对论，它颠覆了人类古老的时空观念，改变了整个世界。

一、狭义相对论产生的背景

英国物理学家麦克斯韦创立的电磁学理论表明，光是一种电磁波，并且以不变速度运动。当时牛顿理论已经摆脱了绝对静止的观念，如果光是以不变速度传播，那么人们必须说清楚这一不变的速度是相对哪种参照系来测量的。当时人们认为光波通过无所不在的以太（Ether，占据天体空间的物质）在传播，固定的光速应该相对于以太而言。那么根据伽利略速度变换，相对于以太运动的不同观察者，应该看到光以不同的相对速度冲他们而来。当地球穿过以太绕太阳公转时，在地球上，沿着以太运动的方向测量的光速（当实验者对光源运动时）应该和运动垂直方向测量的光速（当实验者不对光源运动时）不同。1887年，迈克尔逊和莫雷进行了精确的实验，他们将在地球运动方向以及垂直于此方向的光速进行比较，并未发现有任何干涉条纹移动，即他们发现这两个光速完全一样，在实验误差允许范围内没有区别。

1887—1905年，人们试图解释麦克尔逊–莫雷实验的结果，但均未获得实质上的成功。其后，瑞士专利局一位不知名的职员爱因斯坦，在不知道洛伦兹等人实验的情况下，在相对性原理和光速不变原理的基础上独立导出了洛伦兹变换，并对这个变换作了全新的解释。爱因斯坦指出，人们应该抛弃绝对时间的观念，整个以太的观念是多余的，这就是著名的狭义相对论。

二、对狭义相对论时空观念的理解和分析

1. 同时的相对性。爱因斯坦认为人们作出的所有与时间有关的判断总是关于同时事件的判断。比如，“那列火车7点到达此地”就是说“我的手表的时针指到7点”与“火车的到达是同时事件”。爱因斯坦认为，只有直接把两个事件并列排在一起，才能明白无误地解释同时性。依照绝对时空观念，宇宙任何地方的时钟都是同时的。但是仔细思考后就会发现，只有当存在一个在整个宇宙中任何地方都没有任何延迟的时间信号，而且其传播速度要大到能同时到达所有的时钟的情况下，才有可能出现普遍的同时性。实际上，这样的时钟信号是不存在的。这是因为以电磁波形式存在的信号也不过是以光速在运动，这个速度在任何参照系中都一样，而任何信号都不可能比光传播得更快，更不可能以无限大的速度传播。所以，同时性应被定义为：如果两个事物发出的光信号能同时到达位于这两个事物正中间的观察者，那么这两个事物是同时的。但是这个过程对2座彼此相对静止的时钟而言是可行的，但对2座相对运动的时钟而言则还有问题。爱因斯坦用“爱因斯坦火车”的假设解释了这个问题。假设甲站在铁路附近，一列火车从甲身边驶过。当甲处于距离车头和车尾同等距离的那一刻，在两处各发生了一次闪电。甲在同一时间看到了2次闪电，也就是说，光到达甲所处的位置用了相同的时间。甲会说：“闪电同时击中车头和车尾。” 设想在火车中间站着一个乙，他也正巧看到闪电。而此时乙正和火车一起继续向前行驶，他与击中火车头的闪电光线相对而行，同时与击中车尾的闪电光线距离拉开。因此，车头闪电的光先于车尾闪电的光到达乙的位置。乙得出结论：“闪电并非同时击中，车头的闪电在前，车尾的闪电在后。”那么究竟谁说得对呢？答案是：两个人都是正确的。这个例子表明同时性的概念是相对的，它与观察者的运动状态有关系。但是在日常低于光速的生活中，就无法发现。

2. 爱因斯坦延缓。通过狭义相对论的洛伦兹坐标变换，可以得到这样的结论：在运动系统中时间走得比在相对静止的系统中的时间慢，这种延缓被称为爱因斯坦延缓，用公式表示为：

式（1）中，t′为观察者在与其相对运动的惯性系中测得两事件经历的时间；t为观察者在与其相对静止的惯性系中测得两事件经历的时间；v为两个惯性系之间的相对运动速度；c为光速，大小为3×108m/s。

一直以来，人们认为时间在任何条件下、任何地方都是均匀地流逝着，这种认识非常自然，符合“常理”。而狭义相对论却指出，时间不存在唯一的标准，每一位观察者、每个系统都有自己的时间，而且运动速度越快，时间就走得越慢，即时间并不是想当然地在任何条件下、在任何地方都在均匀流逝。

根据爱因斯坦延缓，在一只接近光速快速运动的宇宙飞船上，所有过程都要慢一些，生物过程也不例外。μ介子实验能够非常清楚地证明，粒子的寿命可以减缓。μ介子产生于近30 km的高空并以近光速的速度向地球表面飞来。在一个半衰期之后，也就是百万分之1.5 s后，它们飞出450 m，也就意味着几乎所有的μ介子在到达地球之前都已衰变，因此在地球上应该找不到μ介子。然而在地球表面却还能发现它们的存在。这是因为μ介子速度接近于光速，根据爱因斯坦延缓公式，人们在地球上测得其寿命要更长些，所以在它衰变之前，能够到达地球表面。

爱因斯坦延缓还包含了一个非常重要的知识：光速是物体速度的自然界限。大量的实验告诉人们，光速壁垒问题还不可能打破。在实验中，当把粒子加速到光速的99.99%时，不管注入多少功率，都不可能把它们加速到超过光速壁垒。

3. 洛伦兹收缩。通过狭义相对论的洛伦兹坐标变换，可以得知：在运动系统中所有的物体和距离在运动方向上都会短缩，短缩因子与时间变慢因子相同，这种收缩被称为洛伦兹收缩，用公式表示为：

式（2）中，L′为观察者在与其相对运动的惯性系中测得的固定尺的长度；L为观察者在与其相对静止的惯性系中测得的静尺的长度。

洛伦兹收缩并非是尺的内部结构发生变化，而是由于同时的相对性造成的。人们在日常生活中之所以看不到这种收缩，是因为接触到的物体运动速度远小于光速的原因。这种收缩既影响空洞的空间，也影响实际坚固的物体。