浅议相对论的建立与贡献

尧莉

【摘 要】狭义相对论是爱因斯坦伟大的一生中取得的最有划时代意义的重大成果，是他在前人的基础上经过长期的酝酿和探索才取得的。它是对牛顿时空观的一种彻底性的革命，从光速不变原理和相对性原理出发，重新建立的一种崭新的，具有革命性的相对论时空观。

【关键词】爱因斯坦；相对论；建立；贡献

狭义相对论是现代物理学的重要基石。它的建立是20世纪自然科学最伟大的发现这一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远的影响和意义。相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。

一、狭义相对论的建立背景

（一）惯性参考系和伽利略变换

在17世纪初期，伽利略对物体的运动状态进行了长期的观测，提出了惯性定律，并且将参考系分为了惯性参考系和非惯性参考系两类。凡是相对于某一贯性参考系作匀速直线运动的参考系也是惯性参考系， 利用伽利略变换还可以进行不同惯性系之间的坐标变换，并且在变换中时间与空间之间不发生关系，各个惯性系的时间是一样的，并且在变换中长度也是不变的。然而，这种绝对的时空观是否正确还没有被别人怀疑过。

（二）牛顿运动定律和力学相对性原理

在伽利略之后，牛顿建立的牛顿三定律和万有引力定律奠定了经典力学的基础，并且在惯性系中建立的力学定律都是相同的，称为力学的相对性原理。所以，研究力学问题可以选择任何的惯性系。如果有必要，也可以通过伽利略变换将一个惯性系得到的结果变换为另一个惯性系的结果。

（三）由电磁理论产生的问题

描述宏观电磁规律的麦克斯韦方程组不具有伽利略变换不变性，即在这种变换下，不同的惯性系中的方程组的形式是不同的，现在的问题是，在不同的惯性系中，电磁运动究竟是否相同？如果不同，则必然导致各惯性系不等价，从而应存在一个特殊惯性系的结论。如果相同，则经过坐标变换后方程组的形式应该保持不变。这只有两种可能：如果认为伽利略变换是正确的，则麦克斯韦方程组必须予以修正。或者反过来麦克斯韦方程组是正确的，则伽利略变换必须予以修正。由此所引发的一系列的问题，寻求这些问题的答案导致相对论的建立。

（四）哲学的思考

关于爱因斯坦创建狭义相对论的过程，最令人关注的是他的思路。长期以来许多教科书，通俗读物和名人演说往往把迈克耳孙和莫雷实验直接与爱因斯坦创建狭义相对论联系在一起，过分地扩大了这一实验所起的作用。爱因斯坦曾经说过“直接引导我提出狭义相对论的，是由于我深信：物体在磁场中运动所产生的电动力，不过是一种电场罢了。但是我也受到斐索实验结果以及光行差现象的指引。”1902年前后，爱因斯坦和几个年轻朋友组成“奥林比亚科学院”每晚聚在一起，研读斯宾诺莎、休谟、彭加勒等人的科学和哲学著作。斯宾诺莎关于自然界统一的思想，休谟的时空观，马赫对牛顿绝对时空观的批判都引起爱因斯坦极大的兴趣。

1905年，26岁的爱因斯坦另辟蹊径，他不固守绝对时空观和经典力学概念，而是在对实验结果和前人工作仔细分析的基础上，从新的一个角度来考虑所有问题，首先他认为自然界是对称的，包括电磁现象在内的一切物理现象和力学现象一样，都应满足相对性原理，即在所有惯性系中物理定律及其数学表达形式都是相同的。

二、狭义相对论的建立过程

1900年，爱因斯坦从苏黎世联邦工业大学毕业，但毕业即失业，两年后才在伯尔尼瑞士专利局找到技术员的工作。谋生的困难并没有阻挡他对科学的探讨。爱因斯坦曾回忆“是我在伯尔尼的朋友贝索偶然间帮我摆脱了困境。那是一个晴朗的日子，我带着这个问题访问了他，我们讨论这个问题每一个细节。忽然我领悟到了这个问题的症结所在，这个问题的答案来自对时间概念的分析，不可能绝对地确定时间，在时间和信号速度之间有着不可分割的联系。利用这一新概念，我第一次彻底解决了这个难题”。于是他一直坚持抛弃当时物理学家门捷列坚守的伽利略变换，寻找新的与相对性原理和麦克斯韦电磁理论协调一致的时空变换，做出了两个假设，即物理定律在一切惯性系中都有相同形式和光在真空中的传播速度C是一个普遍适用的恒量，由此他得到了洛仑兹变换，并引入时间的坐标，推导出了相对论的时空属性，即运动的尺子缩短和运动时钟变慢，还得到了在任何惯性系中运动的速度都是以光速为极限的，和物质的质量是随着运动而变化的结论，由此建立了狭义相对论，摆脱了牛顿绝对时空观带来的束缚，并且当物体在低速运动时，洛伦兹变换就等同于伽利略变换，相对力学又回到了牛顿力学，因此相对力学是一种更加广泛和深刻的理论。

三、狭义相对论本质和贡献

狭义相对的出现否定了经典力学的时空观，建立了相对论的时空观，主要内容有：（1）时间并非是绝对不变的，而是具有相对性，时间间隔的度量也是与参照系的运动状态有关。（2）空间也并非绝对不变，也是具有相对性的，空间间隔的度量也是与参照系的运动有关。（3）时间和空间是密切联系的。孤立的时间和空间是不存在的。洛伦兹变换就是对相对论时空观的具体体现。

你可以看出，激励爱因斯坦的不是字面上的逻辑，而是对美的感觉。他在他的工作中总是在寻求美。他同样也受到一种深刻的宗教感的激发，在发现宇宙中奇妙而简单的定律的过程中就充满了这种宗教感。这对他的确是一次宗教经验最深刻的那一种，虽然他并不信奉一个拟人化的上帝。

1905年是愛因斯坦黄金年，那一年他还提出质能关系式，在理论上为原子能时代开辟了道路。他之所以能取得这样伟大的科学成就，归因于他的勤奋、刻苦的工作态度与求实、严谨的科学作风。还有对一切传统和现成的知识所采取的独立的批判精神。他不迷信权威，敢于离经叛道，敢于创新。除了他的非凡的科学理论贡献之外，他的伟大革新家的革命精神也是他对人类提供的宝贵遗产。

【参考文献】

[1]郭奕玲、沈慧君.物理学史（第二版），清华大学出版社， 2005年8月第2版.

[2]马文蔚、物理学（第五版），高等教育出版社，2006年4月第5版.