庞加莱的狭义相对论之四 庞加莱与洛伦兹和闵可夫斯基

<正>19世纪末洛伦兹的工作奠定了狭义相对论的基础,其后庞加莱与洛伦兹的互动和相互启发,直接催生了狭义相对论的诞生。1902年庞加莱明确指出,洛伦兹的理论意味了同时性的相对性;1904年洛伦兹发现了我们今天以他名字命名的时空变换;1905年庞加莱一锤定音地确立了狭义相对论的赝欧几何结构。事实上,早在1881年庞加莱就发现了2+1维赝欧几何的数学结构;1891年他又意识到,     

华罗庚与爱因斯坦相对论及其扩展——纪念华罗庚诞辰一百周年

华罗庚先生运用矩阵几何与投影几何,研究并简化了爱因斯坦狭义相对论的基本原理,得到惯性运动的对称性,并促进了对德西特不变的狭义相对论的研究.他的深入考察至今仍引领着我们如何面对精确宇宙学的挑战.爱因斯坦相对论作为以宇宙常数Λ>0为特征的宇观物理学的基础面临疑难.相对性原理应该扩充到具有两个不变普适常数c和l,具有24个生成元的惯性运动对称性的相对性原理.于是,存在庞加莱、德西特和反德西特不变的3种相对论,伴随着对偶庞加莱运动学,它们构成相对论三位一体.取……,德西特相对论提供宇观尺度之新运动学,亦可避开相对性的宇宙佯谬.华老不仅是大数学家,而且是大思想家和大教育家,是一位为复兴中华民族而奉献终身的伟大代表.     

庞加莱于物理学的贡献

 两位华人数学家曹怀东、朱熹平最终破解了“庞加莱猜想”的报道，重新唤起了公众对“数学全才”庞加莱的关注。庞加莱的研究和贡献涉及数学的各个分支，例如函数论、代数拓扑学、阿贝尔函数和代数几何学、数论、代数学、微分方程、非欧几何、渐近级数、概率论等，当代数学不少研究课题都溯源于他的工作。孰不知，除了是一名数学家之外，庞加莱也是一位影响深远的物理学家，他的研究涉及到天文学、光理论、电磁理论、相对论等物理学分支。     

迈克耳孙实验对创立狭义相对论起了决定作用吗?

近年来,我国物理学界对如何评价迈克耳孙实验在创立狭义相时论中的作用,发生了热烈的争论.一种意见倾向于:根据爱因斯坦本人的许多言论,迈克耳孙实验在创立狭义相对论的过程中并未起直接的作用,甚至连1905年以前爱因斯坦是否知道这个实验也还有疑问;另一种意见倾向于:爱因斯坦不仅知道这个实验,而且正如过去多数学者和教科书所说的那样,这个实验对创立狭义相对论起了决定性作用.两种意见都有爱因斯坦本人的言论为据:前者举出他晚年一系列谈话和信件,后者则根据1982年才发现的爱因斯坦1922年在日本所作的《我是怎样创立相对论的?》讲演(发表…     

引力改变了时空——从欧几里得空间到准黎曼空间

 爱因斯坦在1905年所建立的狭义相对论建立了高速运动下的时空变换,这种变换是局限在惯性系之间的,这正是“狭义”的涵义。作为狭义相对论的推广,爱因斯坦从1907年开始努力尝试将相对性理论推广到非惯性系。他在研究了引力场与加速系关系的基础上,于1916年在德国《物理学杂志》上以“广义相对论基础”为题正式发表了广义相对论。广义相对论的诞生进一步更新了我们对空间、宇宙的认识观念。从平直均匀的欧几里得3维空间,到闵可夫斯基的4维空间,再到弯曲的黎曼空间,独立于时间与物质的“绝对空间”概念被彻底地打破了。     

相对论原本

本文介绍了在创建狭义相对论的过程中,"思想实验"和欧几里得《几何原本》对爱因斯坦的启发和影响.爱因斯坦是狭义相对论的唯一创建者.     

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。     

爱因斯坦和广义相对论

爱因斯坦的狭义相对论确立他为史上最伟大的物理学家之一,但爱因斯坦并不因此而满足,他知道此理论还欠缺一部分,所以在往后的10年间倾全力思考更一般性的相对论,以便将狭义相对论所忽略的加速度问题一并考虑在内。     

狭义相对论的创立与爱因斯坦的创新思维

 1905年,爱因斯坦(A.Eindtein,1879～1955)发表了具有划时代意义的论文《论动体的电动力学》,创立了狭义相对论。他把力学现象和电磁现象的规律平等统一在相对性原理之下,得到一系列不同于牛顿力学的重要结论,解释了与牛顿理论相矛盾的全部实验现象,从根本上改变了传统的时空观念,解决了许多重要的物理问题。不仅如此,他思考问题、研究问题的创新思维带给人们更多的思考。追溯爱因斯坦狭义相对论思想的发展线索,透视其科学创新思维方法,将有助于我们深入理解他的科学思想,并从认识论、方法论的高度得到提升。     

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.     

爱因斯坦与物理规律的协变性

爱因斯坦是２０世纪最伟大的物理学家,他毕生从事理论物理学的研究工作,在物理学的六个领域──狭义相对论、广义相对论、分子运动论、量子论、科学宇宙学和统一场论中都作出了巨大贡献．爱因斯坦不仅是一位伟大的科学家,也是一位富有哲学探索精神的杰出的思想家,从协变性思想出发,建立相对论的过程正是爱因斯坦科学思想的一个体现．本文试图阐明爱因斯坦在建立狭义相对论和广义相对论的过程中,协变性思想起的重要作用,介绍近几十年来,协变性思想对理论物理学发展的推动作用． 一、狭义相对论与洛仑兹协变性 顾名思义,“协变”一词…     

谈狭义相对论创立的必然性

谈狭义相对论创立的必然性姚建宁（江苏南通纺织工业学校２２６００７）阿尔伯特·爱因斯坦（ＡｌｂｅｒｔＥｉｎｓｔｅｉｎ）是二十世纪伟大的物理学家，１９０５年发表了物理学史上具有划时代意义的论文《论动体的电动力学》，文中提出了著名的狭义相对论原理．人们不禁...     

论狭义相对论的建立

主要从麦克斯韦的电磁理论、 迈克尔孙 莫雷实验和洛伦兹变换3个方面来阐述爱因斯坦创立狭义相 对论的重要基础. 并在此基础上, 通过爱因斯坦的论文、 信件、 演讲报告等资料阐述他本人对建立狭义相对论的描 述, 进一步加深对爱因斯坦狭义相对论的理解     

理论体系大同小异──对《等速条件下的空时对称理论》一文的几点看法

爱因斯坦的狭义相对论及其时空观点只能是客观世界的近似反映,有它的局限性和适用范围.随着生产实践和科学实验的进一步发展,必然要对狭义相对论的理论体系进行重新审查,它很可能面临与牛顿刀学同样的命运,也就是说,很可能被作为某种特殊情况而纳入一个适用范围更加广泛的新的理论体系之中.这个新的理论的时空观点必然同狭义相对论的时空观点有所不同.这几点已是多数人的看法了.秦元勋同志企图突破狭义相对论的理论体系,其精神是应当肯定的. 然而秦元勋同志的文章《等速条件下的空时对称理论》(见《物理》杂志第四卷第一期,以下简称为“该文…     

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.     

爱因斯坦在中国及其创建狭义相对论的历史背景

本报告如题所示,是两个不大相干的议题,但都是人们感兴趣的问题.爱因斯坦在中国的情况,只是补充本人曾经写过的相关文章,也是回答诸多读者的询问;爱因斯坦奇迹年的历史背景,是杨国桢理事长给本人的课题.今天,我只能给大家简单汇报有关爱因斯坦创建狭义相对论的历史背景,请大家指正为是.1爱因斯坦在中国最近在《物理》杂志(2005年第1期)刊登了《上海,爱因斯坦及其诺贝尔奖》一文,道出了爱因斯坦在1920年代初和中国的一段因缘.爱因斯坦于1922年赴日本讲学,他在往返途中两次经过上海:11月13日,12月31日至次年1月2日.爱因斯坦在往日本途中,于11…     

庞加莱的狭义相对论之三 思想与观念

<正>庞加莱发表于1898年的《时间的测量》,1900年的《洛伦兹理论和作用与反作用力原理》,1902年的《科学与假设》,1904年的《数学物理的现状与未来》等四篇文章和书籍,不仅深刻地影响了同时代学者的思维方式,而且一百多年来也始终是普通知识分子了解和认识科学及科学哲学的经典文献。(1)他最先提出相对性原理,主张不存在所谓绝对空间和绝对运动,而只存在物体间的相对运动。(2)他最先提出光速不变原理,认为这是谈论异地同时性的基础。(3)他始终不相信以太的真实存在,认为那只是形而上学家的事情,即使作为说明现象的方便假定,也终有一天会被认为是没用的东西而遭抛弃。(4)他最先将洛伦兹为计算方便而引进的“对应态”和“局域时间”等辅助概念,     

1854年6月10日:黎曼论弯曲空间的经典演讲

 1915年,爱因斯坦基于他在狭义相对论提出的四维时空概念,发表了广义相对论,改变了我们对宇宙的看法。他说明时空中的翘曲与弯曲,乃是对质量与能量的响应。广义相对论的几何基础是由德国数学家黎曼（G.Riemann）于大约60年前的研究所奠定的。     

迎接即将到来的太阳能时代!--纪念伟大的物理学家A.Einstein发现光电效应100周年

今年是联合国大会所确定的“国际物理年”，也是伟大的物理学家爱因斯坦逝世50周年，同时也是爱因斯坦发表他的著名理论，狭义相对论的100周年．狭义相对论深化了牛顿所奠定的牛顿力学，深化了牛顿所提出的时空观，从而影响到当代物理学的各个领域．人们公允地认为这是物理学领域里的大突破，亦即由宏观低速运动领域的突破，进入到宏观高速领域的突破．这一突破的重要的后果之一，     

爱因斯坦是这样创建相对论的——评尤广建的《爱因斯坦是怎样创建相对论的》

自从爱因斯坦创建相对论以来,各国纷纷出版专著介绍这一人类极其伟大的成果。笔者翻阅不少这类书籍,从中获得不少教益。最近,由湖南教育出版社编纂的《科学家谈物理》丛书中,就有一本题为《爱因斯坦是怎样创建相对论的》好书。 首先,作者尤广建向读者概述了爱因斯坦不寻常的成长道路,归纳了爱因斯坦在科学领域中令人瞩目的成就以及所获得的荣誉,告诫人们不要把注意力放在他所获得的荣誉上面,而应该研究他在科学上是怎样取得成功的,以便从他那里学习到卓越的思想、科学的方法和宝贵的