爱因斯坦建立狭义相对论的关键一步——同时性定义

本文阐明了双程(回路)光速的数值可以由实验直接给出,但是单向光速的数值不能由实验获得而只能通过单向光速各向同性的假设使之等于双程光速的数值.有了这个(假定的)单向光速的数值就可以同步惯性系中的所有时钟,因而定义了惯性系的时间坐标,正是由于这种同时性定义,爱因斯坦才进而发现了狭义相对论.迄今为止所有测量光速的实验给出的都是双程而非单程光速的数值.为了从理论上阐述单程光速无法测量,我们介绍了爱德瓦兹同时性,它是使用双程光速不变而单程光速任意的假设来定义的;同时给出了与之相应的爱德瓦兹变换,进而讨论了这种同时性与爱因斯坦同时性的关系.通过时间膨胀和长度收缩效应阐明了二者在物理上是等价的,也就是说单向光速的效应在实验中不会显现.     

光速在相对论中的核心地位

介绍了关于真空中光速的假定的重要作用,它不仅是相对论理论的基础,而且使人们能够定义同时性并测量空间距离.     

必须坚持马列主义的科研路线──评《等速条件下的空时对称理论》

一、“光速不变”不是相对论的要害 秦元勋同志《等速条件下的空时对称理论》(见《物理》第四卷第一期)对相对论的批判并没有抓住爱因斯坦相对论体系中的要害.在他列举的三点理由中,没有一条称得上是所谓相对论的“根本性的缺点和错误”的东西. 在一定条件下“光速不变”,并不违反辩证唯物主义;只有把光速看成是一切物质运动形态的“极限速度”,才是真正的形而上学.秦元勋同志在批判爱因斯坦的相对论体系的哲学思想时,把重点放在批判“光速不变”这一有实验基础的基本假设方面;这是不对的.秦元勋同志说:“为了坚持一种明显地违反辩证唯物主…     

关于狭义相对论同时性问题

长期以来,在有关狭义相对论的讨论中比较重要的一个基本问题,就是光速各向同性的假设是否为实验证实和是否能够用实验证实的问题.为了讨论这个问题,我们先说明如何测量一个质点沿某给定方向的运动速度(简称单向速度), 要确定一质点的单向速度,就要确定该质点通过给定距离AB所花费的时间t_(AB),这就需要使用两只钟计时,一只钟位于A点,另一只位于B点.但是,要使这两只钟的读数之差t_B一t_A“确实”代表t_(AB),就必须事先用某种手段使它们对准.用什么手段来校准不同地点的钟呢?这个问题就是所谓的不同地点的同时性问题.早在1905年,爱因斯坦…     

从爱因斯坦火车到洛伦兹变换

爱因斯坦火车是狭义相对论中展示同时性的相对性的经典模型, 爱因斯坦利用该模型证明了“ 同时性 的相对性” . 在狭义相对论中, 空间和时间并不相互独立, 而是一个统一的四维时空整体, 不同惯性参考系之间的时 空坐标变换关系式与洛伦兹变换在数学表达式上是一致的, 通过分析爱因斯坦火车模型中光在不同惯性参考系内 到达车壁的时间, 利用简单的数学变换更加容易地得到了洛伦兹变换, 从而验证了洛伦兹变换在狭义相对论的核 心地位     

Beltrami-de Sitter时空和de Sitter不变的狭义相对论

分析了在相对论体系中狭义相对性原理和宇宙学原理之间的关系以及Beltrami-de Sitter -陆启铿疑难.指出可以把狭义相对性原理推广到非零常曲率时空，在具有Beltrami度规 的de Sitter/反de Sitter时空中建立狭义相对论的运动学和粒子动力学. 在这类狭义相对 论中,相对于Beltrami坐标同时性，Beltrami坐标系就是惯性坐标系，相应的观测者为惯 性观测者; 对于自由粒子和光讯号, 惯性定律成立;可以定义可观测量,它们不但守恒而且还 满足推广的爱因斯坦关系.除了Beltrami坐标时同时性之外，对于共动观测, 还可以取固 有时同时性;此时，Beltrami度规成为Robertson-Walker型的度规，其3维空间是闭的,对 于平坦的偏离为宇宙学常数的量级.这表明,在这类狭义相对论中,相对性原理与“完美”宇 宙学原理之间存在内在联系,并不存在那些问题.进而,基于最新观测事实，重述了Mach原 理；指出对于Beltrami-de Sitter/反de Sitter时空，宇宙学常数恰恰给出惯性运动的起 源. 关键词： 狭义相对性原理 宇宙学原理 de Sitter不变的狭义相对论 Beltrami-de Sitter时空 同时性 Mach原理     

爱因斯坦与狭义相对论的诞生

介绍了爱因斯坦建立狭义相对论的伟大贡献.狭义相对论与经典物理学的分水岭是"光速在真空中恒定"的假设.爱因斯坦首先提出"光速不变原理",首先指出"同时的相对性",并且首先放弃了以太概念.爱因斯坦是狭义相对论的唯一创建者.     

评爱因斯坦的“光速极限论”

在经典力学中,牛顿提出了所谓“超距作用”,认为物质的运动速度可以无限地提高以至达到无限大,因而远距离物体之间可以不化费任何时间而进行信息传递.根据这种观点,物质的运动只经历空间而不经历时间,时空是互相割裂的,时空和物质运动也是互相割裂的. “超距作用”在科学上和哲学上造成了很大的问题.二十世纪初期,爱因斯坦建立了相对论学说,他在整个物理学领域取消了“超距作用”.这一点,对于物理学的发展具有一定的历史意义,也是当时物理学发展的必然要求.但是,爱因斯坦在取消无限大速度的同时却宣称光速(光在“真空中”的速度.下同)是宇苗…     

相对论问题讨论(七) 不存在完备的物理学理论——谈关于光速不变原理

狭义相对论中的“光速不变原理”,议论的人很不少,下面谈谈我们对这问题的几点粗浅看法: 一、定义匀速直线运动离不开 “光速不变”假设 在狭义相对论中,几乎一开始就与两个彼此相互作匀速直线运动的惯性参考系打交道.要断定一个参考系相对于另一个参考系是否在作匀速直线运动,如果不想直接依赖“光速不变”假设来测定的话,就得要在不同地点放上一系列的钟,才能测定.这些放在某参考系中不同地点的钟,必须是对准了的或至少它们的读数之差是明确知道的,才能依靠它们来判断对方参考系是否的确在相同的时间里,走过相等的路程.不止如此,还需要有…     

光前驱波

文章回顾了近一百年来光前驱波的研究历史及最新的进展.自爱因斯坦的狭义相对论发表以来,真空中的光速不变原理已经被广泛地接受.然而对光在介质中的传播速度,由于复杂的色散关系,却一直存在不同的解读,尤其是对光载信息传播速度以及单个光子的运动.光前驱波的研究旨在回答这个问题.作者和其研究团队在最近的研究中找到了前驱波在光学波段的清晰的证据,并首次发现了单光子波包里的光前驱波.研究结果表明,光载信息传播速度不可能超光速,单光子的运动满足真空光速极限原理,即便是在所谓的“超光速”(群速度超光速)介质中.     

双程光速不变和洛伦兹协变性

狭义相对论的巨大成就并不在于用狭义相对性原理和光速不变原理两条基本假设导出了洛伦兹变换,而在于进一步指出洛伦兹协变性是物理理论成立的普遍条件,从而使相对论原理成为一个普遍的原理,而在理论研究中应用这一原理取得了积极的实际成果,狄拉克将量子力学相对论化,使方程也满足“洛伦兹协变性”,预言了正电子的存在就是一例. 虽然相对论原理日益得到广泛应用,但也有不少人为“双生子佯谬”这一类问题苦脑着,从而怀疑狭义相对论据以建立的两条基本假设的正确性.有人认为:既然光速不变原理从未得到直接的实验检验,是否允许舍弃“光速不变…     

邮票上的物理学史--爱因斯坦和相对论

爱因斯坦于1879年3月14日出生于德国的一个犹太家庭.他从小特立独行,坚持独立思考,反抗传统的桎梏,富有叛逆精神.他对当时德国学校中窒息自由思想的军国主义教育深恶痛绝 ,后来曾说过："对一个随着军乐队在队列中摇头晃脑齐步走的人,我只能给予鄙视.他长 着一个脑袋简直是个错误,这样的人一根脊髓就够了."1894年,他全家移居到意大利的米 兰,把他一个人留在慕尼黑上中学.由于厌恶德国学校,不到一年,中学还没有毕业,他就 自动放弃学籍回到意大利家中.1895年,他到瑞士的阿劳进大学预科班.他喜欢瑞士比较自由 宽松的气氛,办理了放弃德国国籍的手续.1896年进苏黎世的联邦综合工业大学师范系学习 物理学,1900年毕业.1901年,他加入瑞士国籍.此后,终爱因斯坦一生,即使在他回柏林担 任普鲁士科学院院士时和入籍美国后,他都保留了瑞士公民身份(图1,瑞士1972年,瑞士名 人). 大约在他到阿劳的同时,他就开始思考一个问题："如果我以光速〖WTBX〗c追随光线运动 ,我应当看到这样一条光线,就好像一个在空中振荡着而停止不前的电磁场.可是不论是依 据经验,还是按照麦克斯韦方程,看来都不会发生这样的事情."他对这个悖论思考了10年 ,直接引导他建立狭义相对论. 大学毕业后,他找不到工作,只能以当代课教师和替人补习物理为生.1902年,他的同学格 罗斯曼的父亲替他在伯尔尼的联邦专利局找到一份工作,从事专利申请的技术鉴定.他对这 项工作挺满意,因为他在处理公务、审定专利之余,还有时间自己思考问题.他在这个岗位 上干了7年. 1905年,26岁的爱因斯坦一年里在著名的《物理学杂志》(《Annalen der Physik 》)上发表了4篇论文,涉及3个不同的领域,每一篇都足以使他在物理学史上占据不朽的地 位.这种旺盛的创造力,只有当年在伍尔索普农场躲避瘟疫的23岁的牛顿可以相比.第一篇《 关于光的产生和转化的一个启发性的观点》,提出了光量子的概念,并作为这个概念的简单 应用解释了光电效应.有关的史实和邮票我们在"波粒二象性"一节中介绍.第二篇《热的分 子动理论所要求的静止液体中悬浮粒子的运动》讨论了布朗运动的理论,用这个理论确证原 子的真实存在,并提出一种测定玻尔兹曼常量的新方法.第三篇《论运动物体的电动力学》 全面阐述了狭义相对论,掀起了时空观的革命.第四篇《物体的质量同它所含的能量有关吗? 》根据狭义相对论导出了著名的质能关系〖WTBX〗E=mc2,"物质的惯性是它所含能量的 量度".这个公式是爱因斯坦邮票中最常见的公式,因为它是狭义相对论中对人类生活影响 最大的公式,是核能利用(包括和平利用和用作武器)的理论基础(图2,尼加拉瓜1971年," 改变世界的10个方程"邮票之一.图上有蘑菇云,也有原子能的和平利用).但是有一种流行 的说法,即正是这个公式使原子弹成为可能,因此爱因斯坦是"原子弹之父",却纯粹是胡 说.正如爱因斯坦传作者、物理学家派斯所说,这个说法就和"字母的发明使圣经的写作成 为可能"一样. 爱因斯坦最伟大的贡献当然是创立相对论.但是我们在前面已经看到,狭义相对论的许多公 式,如洛伦兹变换、质量随速率的变化等,洛伦兹和庞加莱在爱因斯坦之前已经得到了.那 么,为什么我们说相对论是爱因斯坦创立的呢?这是因为,他们的出发点和思路是完全不同 的,得到的公式虽然形式一样,意义也完全不同.爱因斯坦是把相对性原理和光速不变原理 这两条似乎矛盾的原理放在一起作为出发点,推导出简洁明快的理论.而洛伦兹则作出种种 特定的假设,叠床架屋,非常繁琐,运动的相对性是满足一些特定假设的动力学所导出的运 动学效应.相对论里的长度收缩是一种空间变换性质,与任何物质的具体结构无关,虚空也 会出现收缩,而洛伦兹则假设长度收缩与分子力的变化有关.这里的关键是扬弃牛顿的绝对 时间的观念.爱因斯坦曾这样回忆自己发现新观念的过程："忽然我领悟到这个问题(指相 对性原理和光速不变原理的表观矛盾)的症结所在.这个问题的答案在于对时间概念的分析, 不可能绝对地确定时间,在时间与信号速度之间有着不可分割的联系.利用这个新观念,我 第一次彻底解决了这个难题."他又说："只要时间的绝对性或同时性的绝对性这条公理不 知不觉地留在潜意识里,任何想要令人满意地澄清这个悖论的尝试都是注定要失败的."洛 伦兹和庞加莱正是由于没有跳出绝对时空观的框架,虽然走到了狭义相对论的边缘,却没能 创立相对论.[JP] 迈克耳孙-莫雷实验的否定结果是光速不变的一个实验证明.爱因斯坦肯定也知道这个实验 结果,但是在爱因斯坦的文章里却没有提到它.这是因为,这个实验结果的确没有在爱因斯 坦创立相对论的思考中起重要的作用.爱因斯坦是以自己的方式,从麦克斯韦方程用到运动 物体时的不对称性来提出问题的. 新的时空观是如此超出日常经验,人们不容易接受.因此狭义相对论也没有很快得到物理学 界承认.普朗克和他的助教劳厄是最早支持相对论的人.普朗克从《物理学杂志》编辑部看到 爱因斯坦的文章后,立即看出它的价值,并在柏林大学主持了狭义相对论的讨论班.他还在 把相对论从电动力学推广到力学方面做了一些工作.劳厄参加了这个讨论班,深为这个理论 所吸引.1907年他专程去伯尔尼拜访爱因斯坦,从此成为终生的挚友.1911年,劳厄写了世界 上第一本介绍狭义相对论的专著《相对性原理》. 随着学术声誉的提高,爱因斯坦的境遇也有所好转.1908年兼任伯尔尼大学无公俸讲师,190 9年离开专利局任苏黎世大学理论物理学副教授,1911年任布拉格德语大学教授,1912年任 母校苏黎世联邦工业大学教授.德国的物理学家们希望爱因斯坦能回到德国工作.为此,普朗 克和能斯特于1913年亲自跑到苏黎世,向爱因斯坦提供优厚的条件,邀请他去柏林.爱因斯 坦在保留瑞士国籍的条件下接受了邀请.但是德国人则认为,爱因斯坦担任普鲁士科学院院 士就自动取得了德国国籍,爱因斯坦也就认可了.爱因斯坦于1914年4月去了柏林.同年8月第 一次世界大战爆发,他参加了公开和地下的反战活动.当时,为了对协约国谴责德国入侵中 立国比利时作出反应,德国一些著名的学者,包括普朗克、伦琴、能斯特在内共93人,发表 了一个为德国侵略暴行辩护的《文明世界的宣言》.爱因斯坦拒绝在这个宣言上签名,而在 一个针锋相对的宣言《告欧洲人书》上签了名,是总共4位签名者之一. 他是地下反战组织 "新祖国同盟"的创始人之一,并且同著名法国作家、和平主义者罗曼罗兰保持着联系. 大战期间,爱因斯坦仍然没有间断他的科学研究.事实上,1915年到1917年这3年是爱因斯坦 第二个科学创造高峰期.1916年3月他完成了广义相对论.同年发表论文《关于辐射的量子理 论》,在玻尔的量子跃迁概念的基础上,进一步发展了光量子理论,提出了自发辐射和受 激辐射这两种辐射形式和跃迁概率的概念,奠定了激光的理论基础;还讨论了光子的动量.1 917年他用广义相对论的结果研究整个宇宙的结构,开创了现代宇宙学.1917年爱因斯坦是38 岁.爱因斯坦邮票上出现的爱因斯坦像大都是老年时的肖像,反映这一段比较年轻的时候的 邮票有图3(乍得1997年,右下方是以爱因斯坦的名字命名的航天器)和图4(库克群岛的艾图 塔基1980年,纪念爱因斯坦逝世25周年,全套6张之一).此外,民主德国1979年纪念爱因斯 坦诞生100周年的小型张(图5)上的画像也还在中年,边纸下方是民主德国科学院的爱因斯坦 塔楼. 爱因斯坦在建立了狭义相对论之后就开始试图把相对性原理推广到非惯性系.他从惯性质量 等于引力质量(即一切物体在引力场中具有同一加速度.这一事实伽利略就已知道,有关邮票 见"伽利略"一节;后来厄特沃什用更高的精度证实,有关邮票见"重力场的研究"一节) 出发,于1907年建立了等效原理："引力场同参照系的相当的加速度在物理上完全等价" .然后,经过多年的反复思索,在理论的协变性方面走了一些弯路,在他的同学格罗斯曼 的帮助下找到了合适的数学工具黎曼几何和张量分析,终于在1926年建立了广义相对论.爱 因斯坦本人更欣赏他在广义相对论方面的工作.他曾对他的助手英费耳德说："要是我没有 发现狭义相对论,也会有别人发现的.问题已经很明确了.但是我认为,广义相对论的情况不 是这样."他这段话强调了,广义相对论涉及的内容和发现它的动机,与其他物理学家的关 心和兴趣相去甚远. 广义相对论的一个可用实验检验的结论是,太阳使经过它附近的光线偏转.预言的偏转值是1 .7″.1919年发生日全食,英国天文学家爱丁顿等人率两支观测队分赴西非的普林西比岛和 巴西的索布拉耳两地观测,观测结果基本上符合爱因斯坦的预言.多哥在1979年为爱因斯坦 诞生100年发行了一套6张纪念邮票,其中一张(图6)示意性地表示了这一观测.上面的实线代 表真实的光线,下面的虚线代表星星的视位置. 多哥的这套邮票中还有一张(图7)是爱因斯坦拉小提琴.爱因斯坦擅长拉小提琴是有名的,他 喜欢莫扎特的音乐.他曾以音乐为例说明兴趣的重要性："我在6岁到14岁时学过小提琴,但 是都没有碰上好教师.对于这些老师来说,音乐只是机械的练习.我真正学到音乐是在我爱上 莫扎特的奏鸣曲以后.我渴望把异常优美的乐曲表达出来,就逼着自己提高演奏技巧.我认为 ,对一切都一样,兴趣才是最好的教师,它远远超过责任感".本来,德、奥的科学家由于 家庭教养和社会风气,音乐素养一般都很好,如普朗克、玻恩、海森伯、薛定谔等,普朗克 还考虑过以音乐为职业,但他们一般都是长于钢琴,像爱因斯坦这样擅长拉小提琴是比较少 的.由于多次到布鲁塞尔参加索耳未会议受到比利时国王招待,爱因斯坦和比利时王室熟悉 起来.王后小提琴也拉得很好,他们常常在一起合奏,爱因斯坦拉第一小提琴,王后拉第二 小提琴,建立了终身的友情.     

漫谈两个基本假设与相对论时空观

 爱因斯坦是人类历史上最具创造才智的科学家,他一生开创了物理学的四个领域---狭义相对论、广义相对论、宇宙学和统一场论,他是量子理论的主要创建者之一,有人说爱因斯坦应该拿6个诺贝尔奖,足见他对物理学和对社会的贡献。一、爱因斯坦创立狭义相对论经历了三个阶段爱因斯坦16岁时就提出“追光”假想实验,这是萌发狭义相对论思想的第一个阶段;爱因斯坦对光、麦克斯韦方程、电磁波、以太、地球运动等问题的深入思考,最初起源于消除电磁学理论中的不统一性,可以看作他思想发展的第二阶段;重审、放弃传统的时间观念,在同时性问题上的突破,可看作第三个阶段。     

想象力比知识更重要——从相对论的起源谈起

文章介绍了爱因斯坦相对论的起源,并对学校教育进行了思考.相对论起源于爱因斯坦对光速问题与相对性问题的研究,从相对论的起源与建立不难发现,其中最具关键性作用的并非人们的既有知识,而是爱因斯坦超乎寻常的想象力.相对论的起源充分证明,在推动科学发展的知识创新活动中,想象力与创新精神比知识更重要.人的知识是有限的,然而想象力是无限的,想象力与创新精神是知识进化的源泉.学校教育的目的不仅在于传授知识,更重要的在于激发人的想象力与培养人的创新精神.     

相对论性粒子穿越势垒的渡越时间

粒子穿过势垒所需多少时间?这个问题一直以来倍受关注.人们提出了几种隧穿时间的定义,对这个问题进行了大量的理论和实验研究,但仍存在争议和分歧.近年来,Büttiker等人为寻找符合因果律的速度概念,分别研究了在非相对论和相对论色散介质中消逝波的传播问题.最近,李春芳等人从能流的角度定义了一个新的隧穿时间.这个隧穿时间无论在非相对论量子力学中还是在相应的光学类比中都不存在超光速问题.在本文中,我们把这个隧穿时间从非相对论量子力学推广到相对论量子力学.由于存在Klein隧穿,粒子可以以行波的方式穿过高势垒.所以,我们分别在消逝波和行波两不同情况下,利用Dirac方程计算了这个隧穿时间以及不同的极限,证明它同样不具有超光速性.通过比较不同极限下的群时延和居留时间,证明了在特定的条件下它们是具有超光速性的.     

关于色散介质中的光速问题

近年来关于所谓的"超光速"现象的实验与理论引起了广泛的关注,得到了很多不同的讨论[1,2].这源于在特殊的介质里,一个光脉冲的各个单色模式虽有小于真空中光速c的相速度,其群速度却可以大于c,甚至变为负值.这使人们设想是否可利用此现象进行"超光速"的信息传送?但这样一来是否违背了爱因斯坦的相对论?     

引力波的昨天、今天和明天

正一、引力波的历史1.引力波的理论预言及其特性赫维赛德基于引力和电磁力都是平方反比力以及电磁波的物理特性早在1893年就提出了引力波的概念。庞加莱于1905年进一步指出了引力波以光速传播。1915年年底爱因斯坦给出了引力场所满足的相对论场方程—爱因斯坦场方程,并且于1916年对爱因斯坦场方程在平直时空背景下做线性近似,推导出了引力波所满足的波动方程及引力辐射的四极矩公式,     

相对论和光速不变原理

“狭义相对论”提出已有半个多世纪了.人们总是认为它有一个“光速不变”的基本假设.为了证明这个“基本假设”是否成立,布置了一系列光学实验来加以验证.不少人担心,有朝一日这类实验测出光速有变动,是否会威胁、动摇相对论的基础并进而推翻整个相对论理论.相对论难道就这样时时面临着从实验结果可能来的威胁吗? 相对论将麦克斯韦电磁理论和洛伦兹电子学说的有关物理学总汇归纳到空间、时间及其与物质运动相互关系的基本正确认识上,补充发展了牛顿的经典力学,它的已有成就是值得肯定的.我们根据辩证唯物主义的原理,认真分析了整个相对论体…     

相对论要不要动?怎样动?

关于相对论问题的讨论,主要集中两点;要不要动它?怎么动?第一点似较明显,因为: 一、没有充分理由表明光速是宇宙间讯号传递的最高限,相对论必有它的局限性和适用范围,深入地对它进行分析研究无论在哲学上和学术卜都是有意义的. 二、单程光速不变,迄今并未被实验直接证明.虽然相对论的大部分(不是全部)结论已被证实. 三、如果测量出光子有静止质量或发现了超光速的运动,则现有相对论势必要改造. 事实上,弱相互作用的宇称不守恒、时间反演对称的破坏,早已发出了相对性原理被部分破坏的讯号了.秦元勋同志不满足于相对论已取得的成果,敢于动它,…     

超光速存在吗？

本文通过实例说明自然界确实存在超光速现象，但这与狭义相对论并不矛盾。问题在于狭义相对论说的是“实物粒子的速度不可能大于真空中的光速”，它并没有排除存在超光速现象的可能性。