物理學史相對論的建立

物理學史相對論的建立第一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

相對論是現(xiàn)代物理學的重要基石。它的建立是20世紀自然科學最偉大的發(fā)現(xiàn)之一，對物理學、天文學乃至哲學思想都有深遠影響。

相對論是科學技術發(fā)展到一定階段的必然產物，是電磁理論合乎邏輯的繼續(xù)和發(fā)展，是物理學各有關分支又一次綜合的結果。第二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日一.歷史背景1.1“以太漂移”的探索

以太觀念的提出可以追溯到古希臘時代，亞里士多德認為天體間一定充滿著某種媒質。笛卡兒1644年發(fā)表的《哲學原理》中就引用了以太的觀念。他認為“虛空”是不存在的，整個宇宙充滿著一種特殊的易動物質以太。

在光的微粒說占上風的年代，以太理論曾受到壓制。1800年以后，由于波動說成功地解釋了干涉、衍射和偏振等現(xiàn)象，以太學說重新抬頭。波動說的支持者把以太看成無所不在、絕對靜止、極其稀薄的剛性“物質”。

但是，直到19世紀還沒有一個實驗能直接證明以太的存在。以太漂移實驗給出了否定結果。這些結果促使人們對以太和絕對坐標系的存在產生懷疑。第三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日著名的以太漂移實驗第四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日1.2收縮假說的提出

邁克耳遜-默雷實驗的零結果發(fā)表后，愛爾蘭物理學家費茲杰惹立即進行了思考。1889年，他向英國《科學》雜志投稿，寫到：“唯一可能協(xié)調這中對立的假說就是要假設物體的長度回發(fā)生變化，其改變量跟穿過以太的速度與光速之比的平方成正比。”

然而，由于《科學》雜志不久就停刊了，這篇稿件雖然發(fā)表但卻鮮為人知，連費茲杰惹本人也不知道這篇稿件是否問世。兩年后，費茲杰惹去世，只是由于他的學生特勞頓多次提到他的工作，人們才知道他比洛倫茲更早就提出了收縮假說。1892年，荷蘭物理學家洛倫茲在《論地球對以太的相對運動》中獨立地提出了收縮假說，并給出了嚴格的定量關系。第五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

洛侖茲在1892年一方面提出了長度收縮假說，用以解釋以太漂移的零結果；另一方面發(fā)展了動體的電動力學。他假設以太是絕對靜止的，從他的電磁理論推出了菲涅耳曳引系數(shù)。隨后，又在1895年與1904年先后建立一階與二階變換理論，他力圖使電磁場方程適用于不同的慣性坐標系。然而盡管他的理論能夠解釋一些理象，（例如能解釋為什么探測不到地球相對于以太的運動），但卻是在保留以太的前提下，采取修補的辦法，人為地引入了大量假設，致使概念繁瑣，理論龐雜，缺乏邏輯的完備性和體系的嚴密性。第六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

洛倫茲，H．A．(HendrikAntoonLorentz,1853～1928)，荷蘭物理學家、數(shù)學家，1853年7月18日生于阿納姆。1870年洛倫茲考入萊頓大學，學習數(shù)學、物理和天文。1875年獲博士學位。1877年，萊頓大學聘請他為理論物理學教授。1912年洛倫茲辭去萊頓大學教授職務，到哈勒姆擔任一個博物館的顧問，同時兼任萊頓大學的名譽教授。后來他還在荷蘭政府中任職，1919～1926年在教育部門工作，其間1921年起擔任高等教育部部長。1911～1927年擔任索爾維物理學會議的固定主席。在國際物理學界的各種集會上，他經常是一位很受歡迎的主持人。1923年國際科學協(xié)作聯(lián)盟委員會主席。他還是世界上許多科學院的外國院士和科學學會的外國會員。洛倫茲因研究磁場對輻射現(xiàn)象的影響，與塞曼共獲1902年諾貝爾物理學獎金。

洛倫茲于1928年2月4日在荷蘭的哈勃姆去世，終年75歲。為了悼念這位荷蘭近代文化的巨人，舉行葬禮的那天，荷蘭全國的電信、電話中止三分鐘。第七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

法國著名科學家彭加勒（HenriPoincarè）對洛侖茲理論起過積極作用。他在1895年就對用長度收縮假說解釋以太漂移的零結果表示不同看法。他提出了相對性原理的概念，認為物理學的基本規(guī)律應該不隨坐標系變化。他的批評促使洛侖茲提出時空變換的方程式。1904年彭加勒正式表述了相對性原理。彭加勒還對洛侖茲理論進行加工整理，使它的數(shù)學形式更加簡潔。然而彭加勒也沒有跳出絕對時空觀的框架。他們已經走到了狹義相對論的邊緣，卻沒有能夠創(chuàng)立狹義相對論。第八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

彭加勒（JulesHenriPoincaré,）法國數(shù)學家。1854年4月29日生于南希；1912年7月17日卒于巴黎。

有些人把彭加肋稱為最后一個廣博的數(shù)學家，因為他在數(shù)學上的大多數(shù)分支學科以及天文學上都作出第一流的創(chuàng)造性工作（而且撰寫得非常好以至可以看成散文家），1879年，彭加勒獲得博士學位，其后，他在巴黎大學教書。他在天體力學方面的工作及對三體問題的貢獻使得他在1889年榮獲瑞典國王奧斯卡二世的獎金。他是最早看出年輕的愛因斯坦的相對論的意義的人之一。第九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日二.狹義相對論的建立

愛因斯坦（公元1879～1955年）出生于德國，有猶太血統(tǒng)，是20世紀最偉大的物理學家。愛因斯坦從小就是一個奇怪的孩子。他酷愛音樂，6歲時學習小提琴，14歲時已能登臺演出。但上學時，教師說他智力遲鈍，除數(shù)學外，歷史、地理和語言成績都很差，以致遭退學處分。他的教育主要靠家庭和自學。2.1愛因斯坦生平第十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日1900年畢業(yè)于瑞士蘇黎世工業(yè)大學，1901年入瑞士國籍，大學畢業(yè)兩年后才在伯爾尼瑞士專利局找到技術員的工作。就在專利局工作期間，1905年頭幾個月一連發(fā)表了四篇重要論文，分別在輻射理論、分子運動論和力學與電動力學的基礎理論等三個不同的領域提出了新的見解。其中《論動體的電動力學》一文更具有劃時代的意義，文中第一次提出了嶄新的時間空間理論，一舉解決了光速的不變性與速度合成法則之間的矛盾以及電磁理論中的不對稱等難題。愛因斯坦把這個理論稱為相對性理論，簡稱相對論，后來又叫狹義相對論。1921年，愛因斯坦因對光電效應的研究而獲得諾貝爾物理獎。1933年，希特勒上臺，愛因斯坦因受法西斯迫害而被迫移居美國。1955年4月18日，愛因斯坦病逝于普林斯頓醫(yī)院。第十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日第十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日第十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

早在16歲（1895年）時，愛因斯坦就開始思考這樣一個問題：“如果我以速度c（真空中的光速）追隨光線運動，我應當看到這樣一條光線就好象一個在空中振蕩著而停滯不前的電磁場。可是無論是依據經驗，還是按照麥克斯韋方程，看來都不會有這樣的事情?！边@是一個悖論，實際上包含了狹義相對論的萌芽。

不久愛因斯坦得知邁克耳孫-莫雷實驗的零結果。他由此認識到，地球相對于以太的運動是不能用任何儀器測量的。他曾回憶說：“這是引導我走向狹義相對論的第一步。”

后來，愛因斯坦讀到了洛侖茲1895年的論文，對洛侖茲方程發(fā)生了興趣。他試圖用洛侖茲方程討論斐索的流水中光速實驗。當時他堅信麥克斯韋和洛侖茲電動力學方程是正確的，但是進一步推算，發(fā)現(xiàn)要保持這些方程對動體參照系同樣有效，必然導致光速不變性的概念，而光速的不變性明顯地與力學的速度合成法則相抵觸。2.2愛因斯坦建立狹義相對論的過程第十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

經過十年的思考，終于在1905年的一天，他突然找到了解決問題的關鍵?！笆俏以诓疇柲岬呐笥沿愃髋既婚g幫我擺脫了困境。那是一個睛朗的日子，我?guī)е@個問題訪問了他，我們討論了這個問題的每一個細節(jié)。忽然我領悟到這個問題的癥結所在。這個問題的答案來自對時間概念的分析，不可能絕對地確定時間，在時間和信號速度之間有著不可分割的聯(lián)系。利用這一新概念，我第一次徹底地解決了這個難題?！?/p>

不出五個星期，（1905年6月），愛因斯坦就寫好了那篇歷史性文獻《論動體的電動力學》，1905年9月發(fā)表在著名的德文雜志《物理學年鑒》上。在這篇論文中，愛因斯坦十分果斷地把相對性原理和光速不變原理這兩條看起來似乎矛盾的設想放在一起作為基本出發(fā)點。第十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

愛因斯坦明確指出：在他的理論里，以太的概念將是多余的，因為這里不需要特設的絕對靜止參照系。愛因斯坦不是象洛侖茲那樣，事先假設某種時空變換關系，而是以這兩個公設為出發(fā)點，推導出時空變換關系。他非常簡潔地建立了一系列新的時空變換公式之后，立即推導出了運動物體的“長度收縮”、運動時間的“時鐘變慢”、同時性的相對性以及新的速度合成法則等等，由此形成一套嶄新的時空觀。第十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

由于人們的思想長期受到傳統(tǒng)觀念的束縛，一時難于接受嶄新的時空觀，愛因斯坦的論文發(fā)表后，在相當長的一段時間內受到冷遇，被人們懷疑甚至遭到反對。

在法國，直到1910年幾乎沒有人提到愛因斯坦的相對論。在實用主義盛行的美國，最初十幾年中也沒有得到認真對待。邁克耳孫至死（1931年）還念念不忘“可愛的以太”，認為相對論是一個怪物。英國也不例外，在人們的頭腦里以太的觀念太深了，相對論徹底否定以太的必要性，被人們看成是不可思議的事。當時甚至掀起了一場“保衛(wèi)以太”的運動。J.J.湯姆遜在1909年宣稱：“以太并不是思辨哲學家異想天開的創(chuàng)造，對我們來說，就象我們呼吸空氣一樣不可缺少”。2.3狹義相對論被承認和接受的過程第十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日1911年美國科學協(xié)會主席馬吉（M.F.Magie）說：“我相信，現(xiàn)在沒有任何一個活著的人真的會斷言，他能夠想象出時間是速度的函數(shù)?！北粣垡蛩固棺u為相對論先驅的馬赫，竟聲明自己與相對論沒有關系，“不承認相對論”。有一位科學史家叫惠特克（S.E.Whittaker）在寫相對論的歷史時，竟把相對論的創(chuàng)始人歸于彭加勒和洛侖茲，認為愛因斯坦只是對彭加勒和洛侖茲的相對論加了一些補充。

愛因斯坦是1922年獲諾貝爾物理獎的。不過不是由于他建立了相對論，而是“為了他的理論物理學研究，特別是光電效應定律的發(fā)現(xiàn)”。諾貝爾物理獎委員會主席奧利維亞（Aurivillus）為此專門寫信給愛因斯坦，指明他獲獎的原因不是基于相對論，并在授獎典禮上解釋說：因為有些結論目前還正在經受嚴格的驗證。第十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日愛因斯坦的論文發(fā)表后，在相當長的一段時間內受到冷遇，被人們懷疑甚至遭到反對。第十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

普朗克和閔可夫斯基（H.Minkowski）可以說是支持相對論的代表。正是普朗克，當時作為《物理學年鑒》的主編，認識到愛因斯坦所投論文的價值，及時地予以發(fā)表。所以人們常說，普朗克有兩大發(fā)現(xiàn)，一是發(fā)現(xiàn)了作用量子，二是發(fā)現(xiàn)了愛因斯坦。他的學生勞厄在1911年就致力于宣傳相對論，大概也是受了他的影響。閔可夫斯基本是愛因斯坦的老師，1908年發(fā)表《空間與時間》一文，把空時-時間合并成四維空間，重新處理了相對論的基本方程，把洛侖茲變換看成是空間-時間四維坐標的變換。這樣就可以使相對論的規(guī)律以更加簡潔的形式表達出來。第二十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

愛因斯坦在1907年寫文章表示，相信狹義相對論是經得起考驗的。果然，一年后布雪勒（A.H.Bucherer）用改進了的方法測電子質量，得到的結果與洛侖茲-愛因斯坦公式符合甚好。以后許多實驗都證明，狹義相對論的結果是正確的。可是，觀念的改變不是一朝一夕之事。1911年索爾威會議召開，由于愛因斯坦在固體比熱的研究上有一定影響，人們才注意到他在狹義相對論方面的工作。只是到了1919年，愛因斯坦的廣義相對論得到了日全食觀測的證實，他成為公眾矚目的人物，狹義相對論才開始受到應有的重視。第二十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日三.廣義相對論的建立

狹義相對論建立以后，愛因斯坦并沒有止步。他認為狹義相對論還有許多問題沒有解決。例如：為什么慣性坐標系在物理學中比其他坐標系更為優(yōu)越？為什么慣性質量隨能量變化？為什么一切物體在引力場中下落都具有同樣的加速度？剛剛經受住考驗的狹義相對論，為什么一用到引力場中就遇到了矛盾？愛因斯坦感到極大的疑惑。經過一段時間的嘗試，愛因斯坦在1907年認識到，“在狹義相對論的框子里，是不可能有令人滿意的引力理論的。”3.1廣義相對論的建立過程第二十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日1907年，愛因斯坦發(fā)表第一篇有關廣義相對論的論文：《關于相對論原理和由此得出的結論》，文中首次提出等價原理（等效原理）的假設，即：“引力場同參照系的相當?shù)募铀俣仍谖锢砩贤耆葍r?！蔽闹羞€提出了另一條基本原理，即廣義相對性原理，他設想，相對性運動原理對于相互作加速運動的參照系也依然成立，他假設可以用一個均勻加速的參照系來代替均勻引力場。

愛因斯坦研究廣義相對論，經歷了一個比建立狹義相對論還更漫長的探索道路。從1907年到1916年的九年時間，愛因斯坦先后發(fā)表了好幾篇論文，使廣義相對論逐步完備。他遇到的主要困難是缺乏合適的數(shù)學工具。第二十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日1913年，愛因斯坦與格羅斯曼(M.Grossmann)合作，建立了引力的度規(guī)場理論，他們聯(lián)名發(fā)表了《廣義相對論和引力論》，系統(tǒng)地論述了廣義相對論的物理原理和數(shù)學方法。他們引入了黎曼張量，把平直空間的張量運算推廣到彎曲的黎曼空間。1915年，愛因斯坦連續(xù)發(fā)表了幾篇有關廣義相對論的論文。其中《用廣義相對論解釋水星近日點運動》第一次用廣義相對論計算出了水星的剩余進動，并且聲明：“在本文中我找到了這種最徹底和最完全的相對論的一個重要證明?！蓖臧l(fā)表了《引力的場方程》，提出了廣義相對論引力場方程的完整形式。1916年，愛因斯坦發(fā)表了《廣義相對論的基礎》，對廣義相對論的研究作了全面的總結。在論文中，愛因斯坦證明了牛頓理論可以作為相對論引力理論的第一級近似，并且給出了譜線紅移，光線彎曲，行星軌道近日點進動的理論預言。第二十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日第二十五頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

在廣義相對論建立之初，愛因斯坦提出了三項實驗檢驗，一是水星近日點的進動，二是光線在引力場中的彎曲，三是光譜線的引力紅移。其中只有水星近日點進動是已經確認的事實，其余兩項只是后來才陸續(xù)得到證實。60年代以后，又有人提出觀測雷達回波延遲、引力波等方案。3.2.1水星近日點的進動1859年，天文學家勒維利埃（LeVerrier）發(fā)現(xiàn)水星近日點進動的觀測值，比根據牛頓定律計算的理論值每百年快38角秒。1882年，紐康姆（S.Newcomb）經過重新計算，得出水星近日點的多余進動值為每百年43角秒。3.2廣義相對論的驗證第二十六頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日第二十七頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日1915年，愛因斯坦根據廣義相對論把行星的繞日運動看成是它在太陽引力場中的運動，由于太陽的質量造成周圍空間發(fā)生彎曲，使行星每公轉一周近日點進動為：

其中α為行星的長半軸，c為光速，以cm/s表示，e為偏心率，T為公轉周期。對于水星，計算出ε=43"/百年，正好與紐康姆的結果相符，一舉解決了牛頓引力理論多年未解決的懸案。這個結果當時成了廣義相對論最有力的一個證據。第二十八頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日3.2.2光線在引力場中的彎曲

1911年愛因斯坦在《引力對光傳播的影響》一文中討論了光線經過太陽附近時由于太陽引力的作用會產生彎曲。他推算出偏角為0.83"(其實該結果有誤,因為愛因斯坦當時只考慮到等價原理而沒有考慮到太陽質量導致的空間幾何形變，計算結果小了一半。)，并且指出這一現(xiàn)象可以在日全食進行觀測。1919年日全食期間，英國皇家學會和英國皇家天文學會派出了由愛丁頓（A.S.FEddington）等人率領的兩支觀測隊分赴西非幾內亞灣的普林西比島（Principe）和巴西的索布臘兒爾（Sobral）兩地觀測。經過比較，兩地的觀測結果分別為1.61"±0.30"和1.98"±0.12"。把當時測到的偏角數(shù)據跟愛因斯坦的理論預期比較，基本相符。第二十九頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日

愛丁頓（1882～1944）ArthurStanleyEddington，英國天文學家、物理學家。1882年12月28日生于肯德爾，1944年11月22日卒于劍橋。16歲進歐文學院（曼徹斯特大學的前身），23歲畢業(yè)于劍橋大學三一學院。1906年到格林尼治天文臺工作，1913年任劍橋大學天文學教授，1914年后兼任該校天文臺臺長。曾任英國皇家天文學會會長、英國物理學會會長、英國數(shù)學協(xié)會會長。1938～1944年當選國際天文學聯(lián)合會主席。

愛丁頓在一次跨越大西洋的旅途中計算出宇宙中共有15747724136275002577605653961181555468044717914527116709366231425076185631031296個質子和相同數(shù)目的電子。這個數(shù)為1362256，被稱為愛丁頓數(shù)。第三十頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日第三十一頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日通常物體的引力場都太弱，20世紀只能觀測到太陽引力場引起的光線彎曲．太陽由于太陽引力場的作用，我們有可能觀測到太陽后面的恒星，最好的觀測時間是發(fā)生日全食的時候．1919年5月29日，發(fā)生日全食，英國考察隊分赴幾內亞灣和巴西進行觀測，證實了愛因斯坦的預言，這是對相對論的最早證實。第三十二頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日恒星太陽月亮地球第三十三頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日星體星體無法觀測黑洞

光線在引力場中彎曲的一個必然推論是引力透鏡問題。早在1920年愛丁頓就提出引力透鏡效應可作為廣義相對論的一種檢驗；星球的強引力場能使背后傳來的光線匯聚，這種現(xiàn)象叫做引力透鏡效應。第三十四頁，共三十八頁，編輯于2023年，星期日3.2.3光譜線的引力紅移

廣義相對論指出，在強引力場中時鐘要走得慢些，因此從巨大質量的