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狭义相对论的历史回顾 江西师范大学 物理与通信电子学院 乐琼 江西 330046 摘 要： 从念到思维，由理论和方法以及应用理解到归纳创新等方面，论述狭义相对论是爱因斯坦科学关键词：爱因斯坦创新 狭义相对论 爱因斯坦1905年月德国的《物理年鉴》(Annalen der Physik)发表论动体的电动力学》论文着爱因斯坦创立了狭义相对论，使电磁场理论和经典力学得到了统一，开创了物理学的新纪元。 研究近代物理学史深感狭义相对论是爱因斯坦科学创新的精美标本。 哥白尼在16世纪中期提出日心说。尽管较之极其繁琐的托勒密地心说完美而 简单，既符合毕达格拉斯匀速圆周运动思想和亚里士多德物理学的宇宙几何学说，又试图以日心说的和谐证明上帝存在，但哥白尼认为太阳是宇宙中心，违背圣经、触及上帝权威，仍被视为异端。17世纪初，天主教会宣布禁令。布鲁诺支持哥白尼，且并不以为太阳是中心，主张宇宙无限、不存在中心，1600年被活活烧死。赞同哥白尼学说的伽利略也受到严重迫害。亚里士多德一托勒密体系的维护者竭力在学术上反对日心说，一个重要理由是：如果地球在高速运动，为什么人们感觉不到? 对此伽利略做了回答，伽利略开创了实验和理性思维相结合的近代物理研究方法，得到许多重要结果，在名著 关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话 (1632年) 和((关于两门新科学的对话(1638年)中，做了系统的总结。在第一部对话中，伽利略写道：“把你和你的朋友关在一条大船甲板下的主舱里。??在仔细观察这些事情之后，再使船以任何速度前进，只要运动是匀速、不要左右摆动，你会发现，所有上述现象丝毫没有变化。你也无法从其中任何一个现象来确定船是在运动，还是停着不动；即使船运动得相当快??。”他论证了极为重要的道理：从平稳行驶的船中发生的任何“事情”，无法判断船是在平稳匀速运动还是静止不动。驳斥了地心说对地动的非难。在第二部对话中，伽利略表述了另一重要结果。沿斜面AB滑下的物体，在B点以其得到的速度沿着斜面BC向上运动，则物体不受BC倾斜的影响仍将达到与A点相同的高度，只是需要的时间不同；当第二个斜面为既不上升、亦不下降的水平面时，物体将一直以已获得的速度永远向前运动。伽利略前进了一大步，认识到不受其他物体作用，物体可以运动不止，非常接近惯性定律。 2.2 19世纪末电磁学的辉煌成就和矛盾 1864年，麦克斯韦建立了统一的电磁场理论——麦克斯韦方程组，由电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光波也是电磁波，提出了光的电磁学说，统一了电磁学和光学。1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦电磁场理论取得了巨大成功。公式（1）为麦克斯韦方程组。 （1） 然而，电磁场的一些规律与牛顿力学理论相矛盾。（1）以太不存在的证明： 迈克尔孙一莫雷实验，让一台干涉仪转动90度，观察干涉条纹是否移动。原理是：如果以太充满于整个空间，地球在绕太阳运动中，若以地球为参考，就会存在“以太风”，光线在不同方向运动的速度就会不同。因此，干涉仪中垂直等距的两臂中的光速将不同。当干涉仪转过9O度，其两臂互换方位时，两条光线的速度也发生互换，因而会发生干涉条纹移动现象。但实验结果没有观测到预期的条纹移动。（2）电磁场规律不满足伽利略相对性原理。（3）在真空中电磁波的传播速度是一常量，且与光速值吻合。这与伽利略速度变换公式矛盾。（4）电子的质量随其运动速度的增加而变大。这与牛顿力学质量是常量的结论矛盾。 2.3 物理学家为解决上述矛盾的科学探索 (1) 洛伦兹假设 上述矛盾使物理学家意识到，只有在理论上大胆背离经典物理学的传统观念，才有希望做出成功的解释。爱尔兰物理学家斐兹杰拉、荷兰物理学家洛伦兹研究电磁学理论后，认为传播光的媒质—— 以太是存在的。并先后提出了长度收缩假设(称为洛伦兹一斐兹杰拉收缩假设)，认为在以太中运动的物体沿其运动方向将会收缩一定倍数(其收缩倍数与后来爱因斯坦推导出的收缩倍数相同)。因此，在迈克尔孙一莫雷干涉仪中，沿着地球运动方向的“臂”都会发生收缩，所以干涉仪转过90度时，当然不会造成干涉条纹的移动了。洛伦兹还认为一切相对于以太运动的物体，沿着运动方向的收缩会导致物质原子结构的变形，是真实 的物理效应。为了使电磁场规律满足伽利略相对性原理，1904年，洛伦兹由以太假说，修改了伽利略变换式，推出新的变换关系式一洛伦兹变换式。对于洛伦兹变换式中的时间公式的物理意义，洛伦兹用“局部时间”的概念解释，认为并不是真正的时间。为了解释电子质量随其运动速度增加而变大的关系，洛伦兹假设电子的质量起源于电磁，由电子的线度沿着运动方向收缩推出了电子质量与其运动速度之间的关系式(与后来爱