1、2022-8-15相对论的建立和发展8相对论的建立和发展相对论的建立和发展相对论的建立和发展 相对论好象是相对论好象是：“光彩夺目的火箭，它光彩夺目的火箭，它在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的在黑暗的夜空，突然划出一道道十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域。光辉，照亮了广阔的未知领域。”德布罗意德布罗意相对论的建立和发展7.17.1 历史背景历史背景 相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理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。结果。1919世纪后半叶，光
2、速的精确测定为光速的不变性提供了世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。实验依据。从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触。然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触。相对论的建立和发展1.1.牛顿力学时空观牛顿力学时空观绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本绝对的，真正的和数学的时间自己流逝着，并由于它的本性而均匀的与任何外界对象无关的流逝。性而均匀的与任何外界对象无关的流逝。牛顿牛顿 绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是始绝对空间，就其本质来说，独立于外界任何事物，总是
3、始终如一和静止不动的。终如一和静止不动的。牛顿牛顿2 2、迈克尔逊迈克尔逊莫雷实验莫雷实验由于人们把由于人们把“以太以太”选作绝对静止的参照系，因此在选作绝对静止的参照系，因此在1919世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。世纪，人们热衷于寻找出地球相对于以太的绝对速度。18811881年，美国人迈尔耳逊设计了一个实验，但是却得到年，美国人迈尔耳逊设计了一个实验，但是却得到“0”结果。结果。18871887年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果仍然年迈尔耳逊和莫雷合作，又重复实验，但实验结果仍然是是“零结果零结果”。根据这一结果，。根据这一结果，“以太以太”显然是一厢情愿的显然
4、是一厢情愿的设想，尽管不断改进，但结论却相同。设想，尽管不断改进，但结论却相同。相对论的建立和发展相对论的建立和发展 “以太以太”的概念最早出现在笛卡尔于的概念最早出现在笛卡尔于16441644年发表的年发表的哲哲学原理学原理一书中。按笛卡尔的观点，一书中。按笛卡尔的观点，“虚空虚空”是不可能存是不可能存在的，整个宇宙充满着一种易动的物质，这种物质就是在的，整个宇宙充满着一种易动的物质，这种物质就是“以太以太”。1717世纪，惠更斯也用了世纪，惠更斯也用了“以太以太”的说法。的说法。麦克斯韦也援用麦克斯韦也援用“以太以太”的概念。他把的概念。他把“以太以太”看成看成电磁场的物质基础电磁场的物质
5、基础,认为电磁现象是认为电磁现象是“以太以太”运动的表现。运动的表现。3 3、真空中的光速、真空中的光速根据麦克斯韦的电磁理论，光速根据麦克斯韦的电磁理论，光速“c”应为一常数，应为一常数，与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。与牛顿力学的速度叠加法则相矛盾。4 4、物理学家面临的选择、物理学家面临的选择要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补要么对牛顿力学做一些顾此失彼的解释，修修补补，要么彻底抛弃，建立新的理论。补，要么彻底抛弃，建立新的理论。相对论的建立和发展 法国著名科学家彭加勒（法国著名科学家彭加勒（Henri PoincarHenri Poincar）对洛仑兹理）对洛仑兹理论起过积极作
6、用。他在论起过积极作用。他在18951895年就对用长度收缩假说解释以太漂年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。他提出了相对性原理的概念，认为移的零结果表示不同看法。他提出了相对性原理的概念，认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛仑兹物理学的基本规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式。提出时空变换的方程式。19041904年彭加勒正式表述了相对性原理。年彭加勒正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道：他在一次演说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的
7、。者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。动之中。”彭加勒还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学彭加勒还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。然而形式更加简洁。然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。相对论的建立和发展相对论的建立和发展7.27.2 爱因斯坦创建狭义相对论爱因斯坦创建狭义相对论的经过的经过 爱因斯坦是德国人，有犹太血统，爱因斯坦是德国人，有犹太血统，19001900年毕业于瑞士年毕业于瑞士苏黎世工业大学，苏
8、黎世工业大学，19011901年入瑞士国籍，大学毕业两年后才在年入瑞士国籍，大学毕业两年后才在伯尔尼瑞士专利局找到技术员的工作。就在专利局工作期间，伯尔尼瑞士专利局找到技术员的工作。就在专利局工作期间，19051905年头几个月一连发表了四篇重要论文，分别在辐射理论、年头几个月一连发表了四篇重要论文，分别在辐射理论、分子运动论和力学与电动力学的基础理论等三个不同的领域分子运动论和力学与电动力学的基础理论等三个不同的领域提出了新的见解。其中提出了新的见解。其中论动体的电动力学论动体的电动力学一文更具有划一文更具有划时代的意义，文中第一次提出了崭新的时间空间理论，一举时代的意义，文中第一次提出了崭
9、新的时间空间理论，一举解决了光速的不变性与速度合成法则之间的矛盾以及电磁理解决了光速的不变性与速度合成法则之间的矛盾以及电磁理论中的不对称等难题。爱因斯坦把这个理论称为相对性理论，论中的不对称等难题。爱因斯坦把这个理论称为相对性理论，简称相对论，后来又叫狭义相对论。简称相对论，后来又叫狭义相对论。相对论的建立和发展一、走在爱因斯坦前面的人一、走在爱因斯坦前面的人人名贡献影响麦克斯韦 创建电磁理论赫兹修改麦克斯韦方程佛格特1887年提出佛格特变换，与洛伦兹变换相似洛伦兹知道佛格特的工作，但没有足够注意。拉摩拉摩进动和拉摩变换费兹杰惹独立地提出洛伦兹变换洛伦兹提出电子论和洛伦兹变换爱因斯坦读过洛伦
10、兹1895年的著作彭家勒提出相对性原理相对论的建立和发展 1879 1879年年3 3月月1414日生于德国乌尔姆一个犹太人家庭。日生于德国乌尔姆一个犹太人家庭。父亲父亲是小商人，母亲是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱动脑筋，是小商人，母亲是钢琴家。上学后，成绩平平，但爱动脑筋，1212岁曾证明勾股定理。岁曾证明勾股定理。18961896年，爱因斯坦正式成为一个无国籍的人，并考进了联年，爱因斯坦正式成为一个无国籍的人，并考进了联邦工业大学。大学期间，爱因斯坦迷上了物理学，一方面，他邦工业大学。大学期间，爱因斯坦迷上了物理学，一方面，他阅读了德国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作，钻研了阅读了德
11、国著名物理学家基尔霍夫、赫兹等人的著作，钻研了麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授麦克斯韦的电磁理论和马赫的力学，并经常去理论物理学教授的家中请教。另一方面，他的大部分时间是去物理实验室去做的家中请教。另一方面，他的大部分时间是去物理实验室去做实验，迷恋于直接观察和测量。实验，迷恋于直接观察和测量。二、爱因斯坦简介相对论的建立和发展p爱因斯坦在苏黎世联爱因斯坦在苏黎世联邦工业大学的实验室里邦工业大学的实验室里做过许多实验，这是他做过许多实验，这是他用过的仪器用过的仪器相对论的建立和发展爱因斯坦少年时期就对哲学有兴趣。康德的爱因斯坦少年时期就对哲学有兴趣。康德的纯粹理性批判纯粹
12、理性批判，马赫的，马赫的力学史评力学史评都给了他深刻的影响。都给了他深刻的影响。19021902年前后，爱因斯坦和几个年轻朋年前后，爱因斯坦和几个年轻朋友组成友组成“奥林比亚科学院奥林比亚科学院”每晚聚在一起，研读斯宾诺莎、休谟、彭加勒每晚聚在一起，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，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。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。相对论的建立和发展19001900年年 苏黎世联邦工业大学师范系毕业。苏黎世联邦工业大学
13、师范系毕业。19021902年年 在瑞士联邦专利局工作在瑞士联邦专利局工作 19091909年年 离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授。19111911年年 任布拉格德语大学理论物理学教授，任布拉格德语大学理论物理学教授，19121912年任母校年任母校苏黎世联邦工业大学教授。苏黎世联邦工业大学教授。19141914年，应能斯脱的邀请，回德年，应能斯脱的邀请，回德国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授，直到国任威廉皇帝物理研究所所长兼柏林大学教授，直到19331933年。年。19201920年年 应洛伦兹和埃伦菲斯特（即应洛伦兹和埃伦菲斯特（即P.P
14、.厄任费斯脱）的邀请，厄任费斯脱）的邀请，兼任荷兰莱顿大学特邀教授。回德国不到四个月，第一次兼任荷兰莱顿大学特邀教授。回德国不到四个月，第一次世界大战爆发，他投入公开的和地下的反战活动。他经过世界大战爆发，他投入公开的和地下的反战活动。他经过8 8年艰苦的探索年艰苦的探索,于于19151915年最后建成了广义相对论。年最后建成了广义相对论。19211921年年 获诺贝尔物理奖。获诺贝尔物理奖。19331933年年 受德国纳粹迫害，移居美国，为普林斯顿研究受德国纳粹迫害，移居美国，为普林斯顿研究所研究员。所研究员。19401940年加入美国国籍。年加入美国国籍。19551955年年4 4月月18
15、18日去世。日去世。相对论的建立和发展 三、狭义相对论的建立 19001900年，爱因斯坦大学毕业。年，爱因斯坦大学毕业。19011901年，他获得了瑞士国籍。年，他获得了瑞士国籍。19021902年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦终于在伯尔尼年，在他的朋友格罗斯曼的帮助下，爱因斯坦终于在伯尔尼的瑞士联邦专利局找到了一份稳定的工作的瑞士联邦专利局找到了一份稳定的工作当技术员。当技术员。在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的在伯尔尼专利局的日子里，爱因斯坦广泛关注物理学界的前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的见解。前沿动态，在许多问题上深入思考，并形成了自己独特的
16、见解。在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，在十年的探索过程中，爱因斯坦认真研究了麦克斯韦电磁理论，特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信特别是经过赫兹和洛伦兹发展和阐述的电动力学。爱因斯坦坚信电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对电磁理论是完全正确的，但是有一个问题使他不安，这就是绝对参照系中以太的存在。参照系中以太的存在。相对论的建立和发展 他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验他阅读了许多著作发现，所有人试图证明以太存在的试验都是失败的。经过研究，爱因斯坦发现，除了作为绝对参照系都是失败的。经过研究，爱因斯坦发现，除了作为
17、绝对参照系和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。和电磁场的荷载物外，以太在洛伦兹理论中已经没有实际意义。于是他想到：绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物于是他想到：绝对参照系是必要的吗？电磁场一定要有荷载物吗？吗？当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对当时的物理学家一般都相信以太，也就是相信存在着绝对参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。参照系，这是受到牛顿的绝对空间概念的影响。1919世纪末，马世纪末，马赫在所著的赫在所著的发展中的力学发展中的力学中，批判了牛顿的绝对时空观，中，批判了牛顿的绝对时空观，这给爱因斯坦留下了深刻的印象。这给爱因斯坦留下了深
18、刻的印象。相对论的建立和发展 1905 1905年年5 5月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已月的一天，爱因斯坦与一个朋友贝索讨论这个已探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看探索了十年的问题，贝索按照马赫主义的观点阐述了自己的看法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家法，两人讨论了很久。突然，爱因斯坦领悟到了什么，回到家经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，经过反复思考，终于想明白了问题。第二天，他又来到贝索家，说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：说：谢谢你，我的问题解决了。原来爱因斯坦想清楚了一件事：时间没有绝对的定义
19、，时间与光信号的速度有一种不可分割的时间没有绝对的定义，时间与光信号的速度有一种不可分割的联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因联系。他找到了开锁的钥匙，经过五个星期的努力工作，爱因斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。斯坦把狭义相对论呈现在人们面前。19051905年他发表了有关狭义相对论的三篇文章。年他发表了有关狭义相对论的三篇文章。相对论的建立和发展 早在早在1616岁（岁（18951895年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：年）时，爱因斯坦就开始思考这样一个问题：“如果我以速度如果我以速度c c（真空中的光速）追随光线运动，我应当看到（真空中的光速）追随光线运动，我应当看
20、到这样一条光线就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可这样一条光线就好象一个在空中振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会有这样的事情。的事情。”这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。这是一个悖论，实际上包含了狭义相对论的萌芽。爱因斯坦对这个问题的思考，经历了很长的过程。他回忆说：爱因斯坦对这个问题的思考，经历了很长的过程。他回忆说：“最初当我有这个想法时，我并不怀疑以太的存在，不怀疑地球最初当我有这个想法时，我并不怀疑以太的存在，不怀疑地球相对以太的运动相对以太的运动”。甚至他还设想用热电
21、偶做一个实验，比较沿。甚至他还设想用热电偶做一个实验，比较沿不同方向的两束光线所放出的热量。不同方向的两束光线所放出的热量。不久爱因斯坦得知迈克耳孙不久爱因斯坦得知迈克耳孙-莫雷实验的零结果。他由此认莫雷实验的零结果。他由此认识到，地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。他继续识到，地球相对于以太的运动是不能用任何仪器测量的。他继续回忆说：回忆说：“如果承认迈克耳孙的零结果是事实，那么地球相对于如果承认迈克耳孙的零结果是事实，那么地球相对于以太运动的想法就是错的，这是引导我走向狭义相对论的第一以太运动的想法就是错的，这是引导我走向狭义相对论的第一步。步。”相对论的建立和发展爱因斯坦读到了洛
22、仑兹爱因斯坦读到了洛仑兹18951895年的论文，他很欣赏洛仑兹方程不但适用于真年的论文，他很欣赏洛仑兹方程不但适用于真空中的参照系，而且适用于运动物体的参照系。他试图用洛仑兹方程讨论斐空中的参照系，而且适用于运动物体的参照系。他试图用洛仑兹方程讨论斐索的流水中光速实验。当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的，索的流水中光速实验。当时他坚信麦克斯韦和洛仑兹电动力学方程是正确的，但是进一步推算，发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光但是进一步推算，发现要保持这些方程对动体参照系同样有效，必然导致光速不变性的概念，而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。速不变性的概念，
23、而光速的不变性明显地与力学的速度合成法则相抵触。为什么这两个概念会相互矛盾呢？爱因斯坦苦思不得其解。起初他想修改为什么这两个概念会相互矛盾呢？爱因斯坦苦思不得其解。起初他想修改洛仑兹的观念，以解决这个矛盾，结果白白花了一年时间，没有取得进展。洛仑兹的观念，以解决这个矛盾，结果白白花了一年时间，没有取得进展。经过十年的思考，终于在经过十年的思考，终于在19051905年的一天，他突然找到了解决问题的关键。年的一天，他突然找到了解决问题的关键。他在那次讲演中这样形容当时的情景：他在那次讲演中这样形容当时的情景：“为什么这两个观念相互矛盾呢？我感到这一难题相当不好解决。我花了为什么这两个观念相互矛盾
24、呢？我感到这一难题相当不好解决。我花了整整一年的时间，试图修改洛仑兹的思想，来解决这个问题，但是却徒劳无整整一年的时间，试图修改洛仑兹的思想，来解决这个问题，但是却徒劳无功。功。“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，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，我们讨论了这个问题的每一个细节。忽然我领悟我带着这个问题访问了他，我们讨论了这个问题的每一个细节。忽然我领悟到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，不可能绝到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
25、度之间有着不可分割的联系。利用这一新概对地确定时间，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，我第一次彻底地解决了这个难题。念，我第一次彻底地解决了这个难题。”相对论的建立和发展爱因斯坦和洛伦兹在一起爱因斯坦和洛伦兹在一起相对论的建立和发展不出五个星期，（不出五个星期，（19051905年年6 6月），爱因斯坦就写好了那篇历史月），爱因斯坦就写好了那篇历史性文献性文献论动体的电动力学论动体的电动力学，19051905年年9 9月发表在著名的德文杂月发表在著名的德文杂志志物理学年鉴物理学年鉴上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把上。在这篇论文中，爱因斯坦十分果断地把相对性原理和光速
26、不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在相对性原理和光速不变原理这两条看起来似乎矛盾的设想放在一起作为基本出发点。他称之为两条公设，内容如下：一起作为基本出发点。他称之为两条公设，内容如下：“1.“1.物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标系中的那所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标系中的那一个并无关系，（相对性原理）。一个并无关系，（相对性原理）。”“2.“2.任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度v v运动着，运动着，不管这道光线是由
27、静止的还是运动的物体发射出来的，（光速不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的，（光速不变原理）。不变原理）。”相对论的建立和发展爱因斯坦不是象洛仑兹那样，事先假设某种时空变换关系，而爱因斯坦不是象洛仑兹那样，事先假设某种时空变换关系，而是以这两个公设为出发点，推导出时空变换关系。他非常简洁是以这两个公设为出发点，推导出时空变换关系。他非常简洁地建立了一系列新的时空变换公式之后，立即推导出了运动物地建立了一系列新的时空变换公式之后，立即推导出了运动物体的体的“长度收缩长度收缩”、运动时间的、运动时间的“时钟变慢时钟变慢”、同时性的相对、同时性的相对性以及新的速度合成法则等等，由此形成一套
28、崭新的时空观。性以及新的速度合成法则等等，由此形成一套崭新的时空观。相对论的建立和发展 另外一个佯谬就是：快速运动参考系中的钟，与静止参考另外一个佯谬就是：快速运动参考系中的钟，与静止参考系中的钟相比，它走慢了。系中的钟相比，它走慢了。-这就是所谓的时间膨胀，也叫这就是所谓的时间膨胀，也叫时间延迟。时间延迟。在在19111911年年4 4月波隆哲学大会上，法国物理学家月波隆哲学大会上，法国物理学家P P朗之万用朗之万用双生子实验对狭义相对论的时间膨胀效应提出了质疑，设想的双生子实验对狭义相对论的时间膨胀效应提出了质疑，设想的实验是这样的：一对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火实验是这样的：一
29、对双胞胎，一个留在地球上，另一个乘坐火箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到箭到太空旅行。飞行速度接近光速，在太空旅行的双胞胎回到地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经地球时只不过两岁，而他的兄弟早已死去了，因为地球上已经过了过了200200年了。这就是著名的双生子详谬。双生子佯谬说明狭年了。这就是著名的双生子详谬。双生子佯谬说明狭义相对论在逻辑自恰性上还存在不完善的地方。义相对论在逻辑自恰性上还存在不完善的地方。相对论的建立和发展 爱因斯坦在爱因斯坦在论动体的电动力学论动体的电动力学一文的最后，推导出了一文的最后，推导出了电子质量随速度变化的关系和电子的动能公
30、式，并由电子速度电子质量随速度变化的关系和电子的动能公式，并由电子速度等于光速等于光速c c时动能变为无穷大的结果预言电子速度不可能大于光时动能变为无穷大的结果预言电子速度不可能大于光速。速。19051905年晚些时候，爱因斯坦又发表了一篇论文，题为年晚些时候，爱因斯坦又发表了一篇论文，题为物物体的惯性同它所含的能量有关吗？体的惯性同它所含的能量有关吗？，第一次提出了相对论的，第一次提出了相对论的质能转化关系。质能转化关系。“物体质量是它所包含的能量的量度。物体质量是它所包含的能量的量度。”“”“如如果能量改变果能量改变L L，则质量也要同时改变，则质量也要同时改变L/L/（9 9101020
31、20）（即）（即L/cL/c2 2 ，这里用的是这里用的是CGSCGS单位）。单位）。”相对论的建立和发展 论动体的电动力学论动体的电动力学发表在发表在物理学年鉴物理学年鉴上上相对论的建立和发展 爱因斯坦的狭义相对论基本内容爱因斯坦的狭义相对论基本内容1.1.两个基本假设两个基本假设19051905年年9 9月月,爱因斯坦爱因斯坦2626岁岁,在德国的在德国的物理学杂志物理学杂志发表了三篇文章，在文章中提出了两个基本假设：发表了三篇文章，在文章中提出了两个基本假设：狭义相对论的相对性原理狭义相对论的相对性原理光速不变原理光速不变原理相对论的建立和发展将革命性的时空观引入物理学，虽然它只具有最少
32、将革命性的时空观引入物理学，虽然它只具有最少的两个基本假设，但它与各种实验都符合。的两个基本假设，但它与各种实验都符合。从这两个假设，他得出了洛伦兹变换：从这两个假设，他得出了洛伦兹变换：相对论的建立和发展 表明了时间与空间与运动的不可分割的联系，使牛顿力表明了时间与空间与运动的不可分割的联系，使牛顿力学得到推广，将时空观普遍化。学得到推广，将时空观普遍化。2.2.由狭义相对论引出的观念的变化由狭义相对论引出的观念的变化同时性的相对性同时性的相对性长度收缩与运动有关长度收缩与运动有关时间膨胀时间膨胀效应效应速度变换公式速度变换公式质速关系质速关系质能关系质能关系能量动能量动量关系量关系3.3.
33、狭义相对论是基础牢固，逻辑结构严紧，形式完美的狭义相对论是基础牢固，逻辑结构严紧，形式完美的物理理论，成为近代物理的支柱。物理理论，成为近代物理的支柱。相对论的建立和发展四、爱因斯坦的研究特色:1.1.对经典理论的大胆怀疑对经典理论的大胆怀疑经过十年的思索经过十年的思索,首先看破以太首先看破以太,并最终抛弃了以太并最终抛弃了以太,也就是抛弃了绝对运动。也就是抛弃了绝对运动。马赫的真正伟大，就在马赫的真正伟大，就在于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。于他的坚不可摧的怀疑态度和独立性。爱因斯坦爱因斯坦 相对论以最勇敢的物理论而名扬于世。相对论以最勇敢的物理论而名扬于世。相对论的建立和发展 相对论的建
34、立和发展2.2.博闻苦思，好学进取博闻苦思，好学进取1616岁时岁时,爱因斯坦就思考爱因斯坦就思考:“如果我以速度如果我以速度c c追随一条光线运动追随一条光线运动”，我应当看到什么现，我应当看到什么现象呢？象呢？爱因斯坦得知迈克尔逊零结果，想爱因斯坦得知迈克尔逊零结果，想:“:“若零结果是事实，若零结果是事实，那地球相对以太运动的想法就是错误的那地球相对以太运动的想法就是错误的!”!”爱因斯坦读了洛仑兹爱因斯坦读了洛仑兹18951895年的论文，认为其方程若成立，年的论文，认为其方程若成立，必然导致光速不变的概念。必然导致光速不变的概念。电磁感应的现象迫使我假设电磁感应的现象迫使我假设(狭义
35、狭义)相对性的原理，必须克相对性的原理，必须克服的困难在于真空中光速的不变性服的困难在于真空中光速的不变性.爱因斯坦爱因斯坦相对论的建立和发展爱因斯坦认为爱因斯坦认为:“:“若光速不变成立，则将出现同时性的相若光速不变成立，则将出现同时性的相对性。对性。”就这样，爱因斯坦建立了新的时空观，他认为时间与就这样，爱因斯坦建立了新的时空观，他认为时间与运动有关，而不是割离的，建立了四维空间。运动有关，而不是割离的，建立了四维空间。相对论的建立和发展3.3.追求科学理论的和谐与自然追求科学理论的和谐与自然认为科学理论应当完备，即不存在矛盾和不一致的认为科学理论应当完备，即不存在矛盾和不一致的地方，比如
36、牛顿运动定律与事实有矛盾，就应该改革它。地方，比如牛顿运动定律与事实有矛盾，就应该改革它。认为科学理论应当逻辑简单，概念和假设应当尽量地少，认为科学理论应当逻辑简单，概念和假设应当尽量地少，理论应当简洁。认为科学应当对称和谐。理论应当简洁。认为科学应当对称和谐。爱因斯坦在总结回忆时说：爱因斯坦在总结回忆时说：“它象在爬山一样，越它象在爬山一样，越是往上爬，越是得到宽广的视野，并且越能显示出我们的是往上爬，越是得到宽广的视野，并且越能显示出我们的出发点与其周围广大地域之间的出乎意外联系。出发点与其周围广大地域之间的出乎意外联系。”相对论的建立和发展 狭义相对论被承认的曲折经历狭义相对论被承认的曲
37、折经历1.1.普遍读不懂，不理解普遍读不懂，不理解在法国，在法国，19101910年几乎没有人提到爱因斯坦。年几乎没有人提到爱因斯坦。JJJJ汤姆逊汤姆逊19091909年：年：“以太对我们来说，就象我们以太对我们来说，就象我们呼吸空气一样不可缺少。呼吸空气一样不可缺少。”马吉马吉19111911年：年：“我相信，现在没有一个活着的人会断我相信，现在没有一个活着的人会断言，时间会是速度的函数。言，时间会是速度的函数。”迈克尔逊至死（迈克尔逊至死（19311931年）还念念不忘年）还念念不忘“可爱的以太可爱的以太”，认为相对论是个怪物。认为相对论是个怪物。7.37.3 狭义相对论的遭遇和实验检验
38、狭义相对论的遭遇和实验检验相对论的建立和发展2.2.普朗克支持：普朗克支持：“如果相对论是正确的，爱因斯坦如果相对论是正确的，爱因斯坦就是就是2020世纪的哥白尼。世纪的哥白尼。”并发表了爱因斯坦的文章。所并发表了爱因斯坦的文章。所以人们常说，普朗克有两大发现以人们常说，普朗克有两大发现!3.3.实验验证实验验证19061906年，考夫曼得出了否定相对论的结果，相对论受年，考夫曼得出了否定相对论的结果，相对论受到考验！但到考验！但19071907年，爱因斯坦发表文章，坚信相对论是年，爱因斯坦发表文章，坚信相对论是正确的。正确的。相对论的建立和发展19111911年，索尔威会议召开，由于爱因斯坦
39、在固体比热的年，索尔威会议召开，由于爱因斯坦在固体比热的研究上有一定影响，人们才注意研究上有一定影响，人们才注意 爱因斯坦的相对论方面爱因斯坦的相对论方面的工作。到了的工作。到了19191919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众瞩目的人物。狭义相对论全食观测的证实，他成为公众瞩目的人物。狭义相对论才开始受到应有的重视。才开始受到应有的重视。19211921年爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖。不过不是由于他年爱因斯坦获得诺贝尔物理学奖。不过不是由于他建立了相对论，而是建立了相对论，而是“为了他的理论物理学研究，特别为了他的理论物理学研究，特别是光
40、电效应定律的发现是光电效应定律的发现”。诺贝尔物理学奖委员会主席。诺贝尔物理学奖委员会主席奥利维拉为此专门写信给他，指明他获奖的原因不是基奥利维拉为此专门写信给他，指明他获奖的原因不是基于相对论，并在授奖典礼上解释说：因为有些结论目前于相对论，并在授奖典礼上解释说：因为有些结论目前还正在经受严格的验证。还正在经受严格的验证。相对论的建立和发展支持相对论的物理学家：支持相对论的物理学家：普朗克，普朗克，当时作为当时作为物理学年鉴物理学年鉴的主编，认识到爱因斯坦论文的主编，认识到爱因斯坦论文的价值，及时给予发表。后人评价他有两大发现：一是量子论，二的价值，及时给予发表。后人评价他有两大发现：一是量
41、子论，二是爱因斯坦。是爱因斯坦。普朗克的学生普朗克的学生劳厄劳厄，在，在19111911年就致力于宣传相对论。年就致力于宣传相对论。闵可夫斯基闵可夫斯基 立陶宛出生的德国数学家是除爱因斯坦以外，最早立陶宛出生的德国数学家是除爱因斯坦以外，最早注意到时空观变革的学者，他是爱因斯坦大学时的老师，因后者不注意到时空观变革的学者，他是爱因斯坦大学时的老师，因后者不重视正规课程的学习而不太喜欢这个学生，但他却十分赞赏学生提重视正规课程的学习而不太喜欢这个学生，但他却十分赞赏学生提出的相对论。他以自己精通的几何学知识对相对论进行了四维格式出的相对论。他以自己精通的几何学知识对相对论进行了四维格式化，重新处
42、理了相对论的基本方程，把洛仑兹变换看作是坐标系在化，重新处理了相对论的基本方程，把洛仑兹变换看作是坐标系在四维空间中的转动，给相对论以更加简洁的表述。四维空间中的转动，给相对论以更加简洁的表述。泡利，泡利，在在19211921年受他老师的推荐为年受他老师的推荐为数学科学百科全书数学科学百科全书撰写了撰写了一篇关于相对论的长篇综述文章，得到了爱因斯坦的高度评价，至一篇关于相对论的长篇综述文章，得到了爱因斯坦的高度评价，至今还是相对论方面的名著之一。今还是相对论方面的名著之一。布雪勒，布雪勒，在在19081908年用改进的方法测量电子的质量，得到的结果与年用改进的方法测量电子的质量，得到的结果与相
43、对论的理论基本相符。相对论的理论基本相符。相对论的建立和发展狭义相对论有一重要结果，就是预言电子质量会随运动速度增狭义相对论有一重要结果，就是预言电子质量会随运动速度增长。从经典电磁理论出发也可以得到类似的结论，因为运动电荷长。从经典电磁理论出发也可以得到类似的结论，因为运动电荷会产生磁场，电磁场的能量增大，相当于质量也增大。经典电磁会产生磁场，电磁场的能量增大，相当于质量也增大。经典电磁理论家阿伯拉罕（理论家阿伯拉罕（M.AbrahamM.Abraham）假设电子是一个有确定半径的钢）假设电子是一个有确定半径的钢性带电小球，它在运动中产生的磁场引起电磁质量，由此推出了性带电小球，它在运动中产
44、生的磁场引起电磁质量，由此推出了电子的质量公式。电子的质量公式。19011901年，实验物理学家考夫曼用年，实验物理学家考夫曼用射线的高速射线的高速电子流进行实验，证实电子的质量确实是随速度变化的。洛仑兹电子流进行实验，证实电子的质量确实是随速度变化的。洛仑兹到到19041904年则根据收缩假说也推出了电子质量公式。后来证明洛仑年则根据收缩假说也推出了电子质量公式。后来证明洛仑兹公式与狭义相对论的结果一致。兹公式与狭义相对论的结果一致。19061906年，考夫曼宣布，他的量年，考夫曼宣布，他的量度结果证实了阿伯拉罕的理论公式，而度结果证实了阿伯拉罕的理论公式，而“与洛仑兹与洛仑兹-爱因斯坦的爱
45、因斯坦的基本假定不相容基本假定不相容”。这件事一度竟成了否定相对论的重要依据。这件事一度竟成了否定相对论的重要依据。在这一事实面前，洛仑兹失望了，他表示，在这一事实面前，洛仑兹失望了，他表示，“不幸我的电子变形不幸我的电子变形假说与考夫曼的新结果矛盾，我只好放弃它了。假说与考夫曼的新结果矛盾，我只好放弃它了。”相对论的建立和发展然而，爱因斯坦却持另一种态度，他在然而，爱因斯坦却持另一种态度，他在19071907年写文章表示，相年写文章表示，相信狭义相对论是经得起考验的，在他看来那些理论在很大的程度信狭义相对论是经得起考验的，在他看来那些理论在很大的程度上是由于偶然碰巧与实验结果相符。果然，一年
46、后布雪勒上是由于偶然碰巧与实验结果相符。果然，一年后布雪勒（A.H.BuchererA.H.Bucherer）用改进了的方法测电子质量，得到的结果与）用改进了的方法测电子质量，得到的结果与洛仑兹洛仑兹-爱因斯坦公式符合甚好。以后许多实验都证明，狭义相爱因斯坦公式符合甚好。以后许多实验都证明，狭义相对论的结果是正确的。可是，观念的改变不是一朝一夕之事。只对论的结果是正确的。可是，观念的改变不是一朝一夕之事。只是到了是到了19191919年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，年，爱因斯坦的广义相对论得到了日全食观测的证实，他成为公众注目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。他成为公众注
47、目的人物，狭义相对论才开始受到应有的重视。相对论的建立和发展 激烈的争论没有停息过。到激烈的争论没有停息过。到2020世纪三十年代末，从激世纪三十年代末，从激发氢原子的实验中，无可置疑地证明了时间的相对膨胀。发氢原子的实验中，无可置疑地证明了时间的相对膨胀。后来，在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。这后来，在宇宙线的研究过程中再次明确地得到了证实。这就是说人们在实际的实验中，的确发现快速运动的参考系就是说人们在实际的实验中，的确发现快速运动的参考系中的时钟变慢了，特别是宇宙线粒子的速度特别大，这一中的时钟变慢了，特别是宇宙线粒子的速度特别大，这一效应的数值也较大。效应的数值也较大。相对论
48、的建立和发展19381938年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒实验，结论年，查恩和斯皮斯重新分析了布雪勒实验，结论更接近相对论的理论。更接近相对论的理论。19401940年，罗吉斯通过实验再次证明爱因斯坦理论的正年，罗吉斯通过实验再次证明爱因斯坦理论的正确性。确性。相对论的建立和发展 爱因斯坦的狭义相对论谱写了物理学发展史上的令人振奋的爱因斯坦的狭义相对论谱写了物理学发展史上的令人振奋的新篇章，和量子论一起成为物理学革命的标志性成果，其意义正新篇章，和量子论一起成为物理学革命的标志性成果，其意义正如他自己如他自己19481948年在年在相对性：相对论的本质相对性：相对论的本质中所指出的那样中所指
49、出的那样“：狭义相对论导致了对空间和时间的物理概念的清楚理解，并且由狭义相对论导致了对空间和时间的物理概念的清楚理解，并且由此认识到运动着的量杆和时钟的行为。它在原则上取消了绝对同此认识到运动着的量杆和时钟的行为。它在原则上取消了绝对同时性概念，从而也取消了牛顿所理解的那个即时超距作用概念。时性概念，从而也取消了牛顿所理解的那个即时超距作用概念。它指出，在处理同光速相比不是小到可忽略的运动时，运动定律它指出，在处理同光速相比不是小到可忽略的运动时，运动定律必须加以怎样的修改。它导致了麦克斯韦电磁场方程的形式上的必须加以怎样的修改。它导致了麦克斯韦电磁场方程的形式上的澄清；特别是导致了对电场和磁
50、场本质上的同一性的理解。它把澄清；特别是导致了对电场和磁场本质上的同一性的理解。它把动量守恒和能量守恒这两条定律统一成一条定律，并且指出了质动量守恒和能量守恒这两条定律统一成一条定律，并且指出了质量同能量的等效性。从形式的观点来看，狭义相对论的成就可以量同能量的等效性。从形式的观点来看，狭义相对论的成就可以表征如下：它一般指出了普适常数光速）在自然规律中所起的作表征如下：它一般指出了普适常数光速）在自然规律中所起的作用，并且表明以时间作为一方，空间坐标作为另一方，两者进入用，并且表明以时间作为一方，空间坐标作为另一方，两者进入自然规律的形式之间存在着密切的联系。自然规律的形式之间存在着密切的联
