大学物理小论文

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对狭义相对论的议论

【摘要】：狭义相对论是由爱因斯坦在洛仑兹和庞加莱等人的工作基础上创立的时空 理论，是对牛顿时空观的拓展和修正。 爱因斯坦以光速不变原理出发，建立了新的时 空观。进一步，闵科夫斯基为了狭义相对论提供了严格的数学基础， 从而将该理论纳 入到带有闵科夫斯基度量的四维空间之几何结构中。 【关键词】：爱因斯坦、

狭义相对论、时空观

一、

历史背景 牛顿力学是狭义相对论(Special Relativity)在低速情况下的近似。伽利略变换与电

磁学理论的不自洽 到 19 世纪末，以麦克斯韦方程组为核心的经典电磁理论的正确性已被大量实验所 证实，但麦克斯韦方程狭义相对论基本原理组在经典力学的伽利略变换下不具有协变 性。而经典力学中的相对性原理则要求一切物理规律在伽利略变换下都具有协变性。 在这样的背景下，才有了狭义相对论。 二、 狭义相对论基本思想

1.相对性原理：物理定律在所有惯性系中都具有相同的数学形式。 2．光速不变原理：真空中的光速是与惯性系无关的常数。 3．洛仑兹坐标变换（沿 z 轴方向）： X=γ(x-ut) 4．速度变换： V(x)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2) V(y)=v(y)/(γ(1-v(x)u/c^2)) V(z)=v(z)/(γ(1-v(x)u/c^2)) 5．尺缩效应：△L=△l/γ或 dL=dl/γ
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Y=y

Z=z

T=γ(t-ux/c^2)

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6．钟慢效应：△t=γ△τ或 dt=dτ/γ 7．光的多普勒效应：ν(a)=sqr((1-β)/(1+β))ν(b) （光源与探测器在一条直线上运动。） 8．动量表达式：P=Mv=γmv,即 M=γm 9．相对论力学基本方程：F=dP/dt 10．质能方程：E=Mc^2 11．能量动量关系：E^2=(E0)^2+P^2c^2 三、 诞生和发展过程

19 世纪末期物理学家汤姆逊在一次国际会议上讲到“物理学大厦已经建成，以后 的工作仅仅是内部的装修和粉刷”。但是，他话锋一转又说：“大厦上空还漂浮着两 朵‘乌云’，麦克尔逊－莫雷试验结果和黑体辐射的紫外灾难。”正是为了解决上述 两问题，物理学发生了一场深刻的革命导致了相对论和量子力学的诞生。 早在电动力学麦克斯韦方程建立之日，人们就发现它没有涉及参照系问题。人们 利用经典力学的时空理论讨论电动力学方程，发现在伽利略变换下麦克斯韦方程及其 导出的方程（如亥姆霍兹，达朗贝尔等方程）在不同惯性系下形式不同，这一现象应 当怎样解释？经过几十年的探索，在 1905 年终于由爱因斯坦创建了狭义相对论。 相对论是一个时空理论，要理解狭义相对论时空理论先要了解经典时空理论的内 容。 爱因斯坦于 1922 年 12 月有 4 日，在日本京都大学作的题为《我是怎样创立相对 论的？》的演讲中，说明了他关于相对论想法的产生和发展过程。他说：“关于我是 怎样建立相对论概念这个问题，不太好讲。我的思想曾受到那么多神秘而复杂的事物 的启发，每种思想的影响，在生活幸福论概念的发展过程中的不同阶段都不一样……我 第一次产生发展相对论的念头是在 17 年前，我说不准这个想法来自何处，但是我肯 定，它包含在运动物体光学性质问题中，光通过以太海洋传播，地球在以太中运动， 换句话说，即以太对地球运动。我试图在物理文献中寻找以太流动的明显的实验证 据，但是没有成功。随后，我想亲自证明以太相对地球的运动，或者说证明地球的运 动。当我首次想到这个问题的时候，我不怀疑以太的存在或者地球通过以太的运 动。”于是，他设想了一个使用两个热电偶进行的实验：设置一些反光镜，以使从单 个光源发出的光在两个不同的方向被反射，一束光平行于地球的运动方向且同向，另 一束光逆向而行。如果想象在两个反射光束间的能量差的话，就能用两个热电偶测出

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产生的热量差。虽然这个实验的想法与迈克尔逊实验非常相似，但是他没有得出结 果。 爱因斯坦说：他最初考虑这个问题时，正是学生时代，当时他已经知道了迈克尔 逊实验的奇妙结果，他很快就得出结论：如果相信迈克尔逊的零结果，那么关于地球 相对以太运动的想法就是错误的。他说道：“这是引导我走向狭义相对论的第一条途 径。自那以后，我开始相信，虽然地球围绕太阳转动，但是，地球运动不可能通过任 何光学实验探测出来。” 爱因斯坦有机会读了洛伦兹在 1895 年发表的论文，他讨论并完满解决了 u/c 的高 次项（u 为运动物体的速度，c 为光速）。然后爱因斯坦试图假定洛伦兹电子方程在真 空参照系中有效，也应该在运动物体的参照系中有效，去讲座菲索实验。在那时，爱 因斯坦坚信，麦克斯韦－洛伦兹的电动力学方程是正确的。进而这些议程在运动物体 参照系中有效的假设导致了光速不变的概念。然而这与经典力学中速度相加原理相违 背。 为什么这两个概念互相矛盾。爱因斯坦为了解释它，花了差不多一年的时间试图 去修改洛伦兹理论。一个偶然的机会。他在一个朋友的帮助下解决了这一问题。爱因 斯坦去问他并交谈讨论了这个困难问题的各个方面，突然爱因斯坦找到了解决所有的 困难的办法。他说：“我在五周时间里完成了狭义相对论原理。” 爱因斯坦的理论否定了以太概念，肯定了电磁场是一种独立的、物质存在的特殊 形式，并对空间、时间的概念进行了深刻的分析，从而建立了新的时空关系。他 1905 年的论文被世界公认为第一篇关于相对论的论文，他则是第一位真正的相对论物理学 家。 四、狭义相对论的反对者 长期以来，狭义相对论专家总是让公众无法理解狭义相对论；而公众却不得不把 它奉为伟大真理；这是对公众智慧的藐视和亵渎。狭义相对论已成当代科学发展的障 碍。从对微观世界认知的困惑直到宇宙学的混乱，一大祸根便是狭义相对论。 狭义相对论及其包涵的相对主义实证论的负面影响已渗透到了社会生活的方方面 面。当前社会上封建迷信活动和伪科学如此猖獗，与狭义相对论关系紧密。时下盛行 的一些歪理邪说大多源于狭义相对论及其衍生品，如“第 4 度空间”、“时间隧 道”，“宇宙大爆炸”、“黑洞”等一类伪学说。例如霍金说他可以和牛顿和爱因斯 坦同桌打牌、科幻电影中漂亮女孩通过时间隧道去与历史上的皇帝谈情说爱等，都是 鬼神论的代表。说狭义相对论是它们的理论总靠山并不为过。勿庸置疑，狭义相对论 是当代科学，特别是基础理论发展的严重障碍。

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维护与反对狭义相对论的斗争，不仅是学术上的争论，是科学史上的一次拨乱反 正，还是一场唯心主义与唯物主义的斗争。 五、狭义相对论的命运，学者对狭义相对论的议论 （1）抛弃狭义相对论是历史的必然。“青山挡不住，毕竟东流去”。著名理论物 理学家韦斯雷博士说的对：“相对论时代已告终结”。科学界正面临一场空前的革 命，任何势力都无法阻挡。科学要发展、学术要交流，批判不可少。没有学术争鸣、 没有学术批判，科学的发展就会停滞不前。更何况在我们面前的，是个逻辑错误、谬 误百出的狭义相对论。科学总是在检讨、抛弃错误的理论或扬弃旧学说、旧理论中发 展的。狭义相对论的荒诞观念、错误理论不清算，现代迷信活动和伪科学便不会销声 匿迹。一言概之，狭义相对论不批判、科学发展的障碍不除，发展精神文明的阻力就 总存在。批判狭义相对论、正本清源，是科学持续发展、人类文明进步的需要。它事 关世界科学的前途、人类自身的命运。匡正基础理论其实是一项投资最小、花费最 少、获益最丰、影响最深远的明智之举。从普及基础科学知识、提高全民素质入手， 推动知识经济的发展，是一桩功在当代惠泽千秋的事业，其现实意义和历史意义是不 可估量的。创新是一个民族进步的灵魂。中国学子有责任也有能力在这场科学革命中 为科教兴国战略，抢占基础科学制高点，使祖国跻身于世界先进科技国家行列，做出 前人未曾做过的历史性贡献。解放思想、务实求真，开展对狭义相对论的批判，实乃 科教兴国之必需，刻不容缓。 （2）推翻狭义相对论已经具备了如下条件：①经过唯物主义、实事求是和科学发 展观的教育，涌现出了一批既认识到狭义相对论的错误和危害、又敢于向狭义相对论 提出挑战的科学家。②party 和国家的百花齐放、百家争鸣的方针和改革开放的政策， 为挑战狭义相对论创造了比较好的社会环境。③研究发现，相对论专家说的用牛顿时 空观“无法解释”而只能用相对论“解释”的现象，都可以用牛顿时空观解释，而且 没有“佯谬”。④网络技术的发展为学术思想的传播搭建了一个广阔的舞台。 （3）推翻狭义相对论还需要一个相当长的时间。由于，①100 年的宣传，使狭义 相对论在世人中产生了比较深的影响；②以宣传狭义相对论为职业的狭义相对论维护 者还占有学术的统治地位；③多数人对狭义相对论不理解、不关心；所以，推翻狭义 相对论还需要一定的时间，还要付出牺牲。

【总结】 狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用。并且深入到量子力学的 范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，而且取得了丰硕的成果。然而在成功的背 后，却有两个遗留下的原则性问题没有解决。第一个是惯性系所引起的困难。抛弃了

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绝对时空后，惯性系成了无法定义的概念。我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立 的参考系。惯性定律的实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。 然而“不受外力”是什么意思?只能说，不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀 速直线运动。这样，，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用的。我们总 能找到非常近似的惯性系，但宇宙中却不存在真正的惯性系，整个理论如同建筑在沙 滩上一般。第二个是万有引力引起的困难。万有引力定律与绝对时空紧密相连，必须 修正，但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了，万有引力无法纳入 狭义相对论的框架。当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力，其中一种就冒出 来捣乱，情况当然不会令人满意。 爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论，然而为解决这两个困难， 建立起广义相对论却用了整整十年时间。为解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消了惯 性系在理论中的特殊地位，把相对性原理推广到非惯性系。因此第一个问题转化为非 惯性系的时空结构问题。在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。在深入研究 了惯性力后，提出了著名的等性原理，发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。 几经曲折，爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。广义相对论让所有物理学家大吃 一惊，引力远比想象中的复杂的多。至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多 的几个确定解。它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。就在广义相对论取 得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。然而 物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。于是引发了那场著 名的论战：爱因斯坦 VS 哥本哈根学派。直到现在争论还没有停止，只是越来越多的物 理学家更倾向量子理论。爱因斯坦为解决这一问题耗费了后半生三十年光阴却一无所 获。不过他的工作为物理学家们指明了方向：建立包含四种作用力的超统一理论。目 前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。 【参考文献】 （1）《普通高中课程标准实验教科书》物理高一必修 2 教材 p276-297。 （2）倪光炯，李洪芳，《近代物理》，上海科学技术出版社，（1984）p219 （3）张三慧，《大学物理基础物理学》上（第二版），清华大学出版社，2007 p162-197

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