相对性原理

运动的相对性是和*亚里士多德物理学不相容的。一个自然倾向于宇宙固定中心的物体，其运动决不能和它静止相同。哥白尼派引用这个观点作为对抗亚里士多德学派反对地球自转和公转的理由，他们认为，运动是两个客体（例如地球和天体）之间的一种联系，至于把哪一个当作是运动物体，那是毫无关系的〔参看*哥白尼革命（*Co-pernican revolution）〕。在伽利略 （Galileo, 1564—1642）的《关于两大世界体系的对话》（ Dialogo,1632 ）一书中，他用相对性的力学原理，坚持了地球运动的观点。该原理指出，现在称为惯性坐标系 （即相互静止或作匀速运动的一种参照系）的系统的运动对其中的物体的相对运动不可能有任何影响。因此，处于其中的任何一个人都不能确切地指出这个系统是在运动或是处于静止状态。 伽利略把圆周运动也作为惯性运动来处理，这就破坏了他的观点的一致性。牛顿（Newton, 1642—1727）揭示了这个矛盾，提出了直线惯性运动，并使运动的相对性成为他的动力学的不可分割的一部分。这是通过坚持下述两点实现的： （1）一切惯性系统在对运动定律的描述上都是等效的；（2）在两个惯性系统内测量的距离通过“伽利略变换”联系起来，即有x’=x+υ t,这里x、x’是距离，t是对两个坐标系都相同的时间，υ是两坐标系相对运动的速度。这两个假设的先决条件是要有一个*绝对空间，因为只有相对于这样的空间才有静止惯性系的存在；也要有一个绝对时间，它对一切坐标系都是相同的。 到了十九世纪，伽利略一牛顿的学说面临着严重的困难，*迈克尔逊一莫雷实验表明，对任何观测者来说，光速都是相同的，这样就不可能满足伽利略变换。此外，应用这种变换时，麦克斯韦（Maxwell ,1831—1879）的*场方程在一切惯性系中就不可能是不变的。虽然从字面上看来，这并没有违背牛顿的第一个假设，但在实质上是违背了。 各种各样的出路都提了出来。斐兹杰惹（ George Fitzgerald , 1851 —1901）和洛伦兹（HendrikLorentz, 1853—1928）在分别解释迈克尔逊一莫雷的失败时认为，他们的仪器在其运动方向上要发生收缩，其缩小量和它的速度的平方成正比，如果速度接近光速，这个缩小量才比较大，但要测量它是不可能的，因为用于测量的一切仪器也会同样地变短。 1902年，洛伦兹证明，借助于包括有长度收缩因子和时间变慢因子的变换方程可使麦克斯韦方程在一切惯性系中是不变的。彭加勒（Henri Poincaré，1854—1912）评论说，要承认洛伦兹变换，尚有赖于新的测量分析，可惜他没有作更为详细的说明（ 1905年） 爱因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）提出的“狭义相对论”正确地解释了洛伦兹方程的物理意义。他还重新定义了测量的概念，破除了空间、时间和质量都是绝对量的思想（1905年）。爱因斯坦严谨地建立了如下两个原理：（1）一切惯性系统对物理现象的描述都是等效的；（2）真空中的光速对所有的观测者来说都是一样的，它与观测者是否运动，或光源是否运动无关。他以这两个原理为根据，推翻了经典物理的许多不言而喻的假设，并且证明了牛顿运动定律只是在物体的运动速度和光速相比为很小的情况下才成立，光在真空中的传播速度也成了一切物体可能具有的速度极限；空间和时间是不可分离的；空间、时间、质量都是相对于观测者而言的。在不同于自身的惯性系内进行的测量，将表现出长度缩短，时钟变慢，并且当该惯性系的相对速度接近于光速时，质量也会随之增加；谈论事件的绝对同时性是没有意义的，能量和质量也被证明是同一个事实的两个方面，它们通过方程E=mc2联系起来。 爱因斯坦证明了通过惯性系间的洛伦兹变换可使物理学定律保持不变以后，又进一步把这种不变性的分析扩大到非惯性系和加速系中。爱因斯坦把闵可夫斯基（Hermann Minkowski, 1864—1909）创立的四维非欧几何应用到狭义相对论中（1908年），从而创立了“广义相对论”，该理论由于建立了惯性*质量和引力质量的等效性，才消除了惯性系的特殊性。这一理论用*场概念取代了作为一种远程*力的牛顿的引力作用，重力被认为是在物质附近弯曲时空连续统的一种度规性质，“弯曲空间”决定了物体在场中的运动（1916年） 牛顿运动定律不能解释的许多问题在广义相对论那里却是该理论的必然结果。该理论解释了水星轨道每世纪有42”偏差的原因；预言了光线在受重力作用的物体附近会发生弯曲，1919年日食期间爱丁顿（Arthur Eddington，1882—1944）首次观测到了恒星光经过太阳附近时发生了弯曲，这是该理论的最早的成功验证，同时也清楚地解释了观测到的引力场中原子光谱的红移现象。爱因斯坦和其他学者从该理论推出的宇宙学的结论预言了宇宙是有限的，并且处于不断的*膨胀之中。1920年以后，爱因斯坦在广义相对论方面的主要兴趣集中到把该理论合并到*统一场理论的努力上。 参考文献A . d ’ Abro, The Evolution of Scientific Thought from Newton to Einstein, 2nd edn （ New York, 1950 ）A. Einstein and L.Infeld,The Evolution of Physics （ Cambridge, 1938）J.C.Graves,The Conceptual Foundations of Contemporary Relativity Theory （ Cambridge, Mass.，1971）G.Holton,Thematic Origins of Scientific Thought：Kepler to Einstein （Cambridge, Mass.，1973）．E. T. Whittaker，A History of the Theories of Aether and Electricity， 2 vols, reprint （ New York, 1960）． JGM著 宋子良译