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狭义相对论Special relativity

经典物理定律由艾萨克·牛顿于1687年在Principia中提出。根据这一理论,粒子的运动必须相对于一个惯性系来描述,在该惯性系中,不受外力的粒子将沿直线以恒定速度运动。两个惯性系之间的关系在于它们彼此以恒定速度沿固定方向相对运动。各惯性系中的时间相差一个常数,所有时间都可以相对于一个绝对时间来描述。这一17世纪的理论直到19世纪对电磁现象进行理论研究时才受到挑战。

人们早就知道声音需要介质来传播,因此很自然地假设光也需要一种传播介质。这种介质被称为以太,许多19世纪的科学家假设了具有各种性质的以太。奥古斯丁·路易·柯西乔治·加布里埃尔·斯托克斯开尔文马克斯·普朗克都假设了性质不同的以太,到19世纪末,光、热、电和磁都有各自的以太。

了解到电磁场的传播速度本质上与光速相同,这促使詹姆斯·克拉克·麦克斯韦假设光本身是一种电磁现象。詹姆斯·克拉克·麦克斯韦为1878年版的Encyclopaedia Britannica撰写了一篇关于Ether的文章。他提出存在单一以太,文章讲述了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦试图测量以太拖曳对地球运动影响的失败尝试。他还提出通过测量木星卫星在不同位置相对于地球时的光速,来从天文上确定以太拖曳。

詹姆斯·克拉克·麦克斯韦思想的启发,Michelson开始了自己的地面实验,并于1881年报告说

静止以太假说的结果被证明是不正确的,由此得出必然结论:该假说是错误的。

亨德里克·洛伦兹在1886年写了一篇论文,批评了Michelson的实验,并且确实不为实验结果所困扰,他因怀疑其准确性而将其搁置。Michelson被开尔文等人说服重复该实验,他与法兰克·莫雷一起这样做了,并于1887年再次报告未发现任何效应。看来光速与观察者的速度无关。[Michelson和莫雷后来改进了他们的实验,并重复进行了多次,直到1929年。]

同样在1887年,Voigt首次写下了变换式

x=xvt,y=y/g,z=z/g,t=tvx/c2x' = x - vt, y' = y/g, z' = z/g, t' = t - vx/c^{2}

并表明某些方程在这些变换下是不变的。这些变换,带有不同的比例因子,现在被称为亨德里克·洛伦兹方程,而亨德里克·洛伦兹变换群给出了狭义相对论的几何。所有这一切对Voigt来说都是未知的,他在写下这些变换时正在撰写关于克里斯蒂安·多普勒位移的文章。

Voigt在1887年和1888年就Michelson-莫雷实验与亨德里克·洛伦兹通信,但亨德里克·洛伦兹似乎在那时并未得知这些变换。然而亨德里克·洛伦兹现在对1887年新的Michelson-莫雷实验深感担忧。

1889年,爱尔兰物理学家乔治·斐兹杰惹Science上发表了一篇短文。论文The ether and the earth's atmosphere不到半页,且非技术性的。乔治·斐兹杰惹指出,Michelson-莫雷实验的结果只能这样解释,即

物质物体的长度会发生变化,变化量取决于它们相对于以太的运动方向——是顺着以太运动还是横穿以太运动——且变化量依赖于它们的速度与光速之比的平方。

Lorentz并不知道乔治·斐兹杰惹的论文,1892年他在一篇论文中提出了几乎相同的收缩,这篇论文现在非常认真地对待了Michelson-莫雷实验。1894年有人向亨德里克·洛伦兹指出乔治·斐兹杰惹已发表了类似理论时,他写信给乔治·斐兹杰惹,后者回复说已寄了一篇文章给ScienceI do not know if they ever published it .。他很高兴得知亨德里克·洛伦兹同意他的观点for I have been rather laughed at for my view over here .。此后亨德里克·洛伦兹一有机会就承认乔治·斐兹杰惹最先提出了这个想法。只有乔治·斐兹杰惹——他不知道自己的论文是否已发表——认为亨德里克·洛伦兹是最先发表的!

约瑟夫·拉莫尔在1898年Ether and matter上写了一篇文章,其中写下了亨德里克·洛伦兹变换(亨德里克·洛伦兹仍未写下这些变换),并表明乔治·斐兹杰惹-亨德里克·洛伦兹收缩是其推论。

亨德里克·洛伦兹在1899年的一篇论文中写下了如今以他命名的变换,是写下这些变换的第三人。他与约瑟夫·拉莫尔一样,表明乔治·斐兹杰惹-亨德里克·洛伦兹收缩是亨德里克·洛伦兹变换的推论。

1900年之前发表的与狭义相对论有关的最令人惊异的文章是儒勒·昂利·庞加莱的论文La mesure du temps(时间的度量),发表于1898年。在这篇论文中儒勒·昂利·庞加莱

……对于两个时间间隔是否相等,我们没有直接的直觉。
两个事件的同时性或它们发生的先后顺序,以及两个时间间隔的相等性,必须以这样的方式定义,使得自然定律的表述尽可能简单。

到1900年,把以太视为一种物质实体的概念正受到质疑。Paul Drude写道

绝对静止的以太这一概念是最简单、最自然的——至少如果以太不被设想为一种物质,而仅仅是被赋予某些物理性质的空间的话。

儒勒·昂利·庞加莱在1900年巴黎大会的开幕致辞中问道Does the ether really exist?。1904年,儒勒·昂利·庞加莱在圣路易斯国际艺术与科学大会的演讲中非常接近狭义相对论。他指出,处于不同参照系中的观察者所拥有的时钟将会

……标示出可称之为当地时间的时刻。……正如相对性原理所要求的那样,观察者无法知道自己究竟是静止还是在作绝对运动。

狭义相对论最终诞生的年份是1905年。1905年6月是相对论论文的好月份,6月5日儒勒·昂利·庞加莱提交了一篇重要著作Sur la dynamique de l'electron(《论电子的动力学》),而阿尔伯特·爱因斯坦关于相对论的第一篇论文于6月30日收到。儒勒·昂利·庞加莱指出It seems that this impossibility of demonstrating absolute motion is a general law of nature.。在将亨德里克·洛伦兹变换以亨德里克·洛伦兹命名之后,儒勒·昂利·庞加莱表明这些变换连同旋转构成一个群。

阿尔伯特·爱因斯坦的论文因其采取的不同进路而引人注目。它并非作为解释实验结果的尝试而提出,而是因其优美与简洁而提出。在引言中阿尔伯特·爱因斯坦

……引入光以太将被证明是多余的,因为按照这里将要展开的观点,既不会引入一个具有特殊性质的绝对静止空间,也不会把速度矢量与发生电磁过程的虚空中的一点相关联。

引入了惯性系,按定义它们彼此作匀速运动。整个理论基于两条公设:-

1. 物理定律在所有惯性系中具有相同的形式。
2. 在任何惯性系中,无论光是由静止物体还是由匀速运动的物体发出,光速 cc 都相同。

阿尔伯特·爱因斯坦现在从他的两条公设推导出了亨德里克·洛伦兹变换,并且像儒勒·昂利·庞加莱一样证明了群性质。然后推导出了乔治·斐兹杰惹-亨德里克·洛伦兹收缩。在这篇论文中阿尔伯特·爱因斯坦还提到了时钟佯谬。阿尔伯特·爱因斯坦将其称为一个定理:如果两个同步时钟C1C_{1}C2C_{2}从点AA出发,C2C_{2}离开AA沿闭合曲线运动并返回AA,那么与C1C_{1}相比,C2C_{2}会走慢。他指出这并不产生佯谬,因为C2C_{2}经历了加速度而C1C_{1}没有。

1905年9月,阿尔伯特·爱因斯坦发表了一篇简短但重要的论文,在其中他证明了著名的公式

E=mc2E = mc^{2}

关于狭义相对论的第一篇论文,除了阿尔伯特·爱因斯坦之外,是1908年由马克斯·普朗克撰写的。很大程度上正是因为相对论被像马克斯·普朗克这样重要的人物所接受,它才如此迅速地得到公认。在阿尔伯特·爱因斯坦撰写1905年论文时,他还是伯尔尼专利局的三等技术专家。同样在1908年,赫尔曼·闵可夫斯基发表了一篇关于相对论的重要论文,以张量形式给出了詹姆斯·克拉克·麦克斯韦-亨德里克·洛伦兹方程。他还证明了牛顿的引力理论与相对论不一致。

狭义相对论的主要贡献者无疑是亨德里克·洛伦兹儒勒·昂利·庞加莱,当然还有该理论的创立者阿尔伯特·爱因斯坦。因此,考察他们各自对该理论最终表述的反应是很有意思的。阿尔伯特·爱因斯坦虽然花了多年时间思考如何表述这一理论,但一旦他找到了那两条公设,它们对他来说就立刻显得自然而然。阿尔伯特·爱因斯坦始终不愿承认,其他人因迈克尔逊-莫雷实验而采取的步骤对他的思考有任何影响。

儒勒·昂利·庞加莱阿尔伯特·爱因斯坦1905年论文的反应相当奇怪。当儒勒·昂利·庞加莱于1909年在哥廷根讲授相对论时,他完全没有提到阿尔伯特·爱因斯坦。他提出相对论时用了三条公设,第三条是乔治·斐兹杰惹-亨德里克·洛伦兹收缩。很难相信像儒勒·昂利·庞加莱这样杰出的人会未能理解阿尔伯特·爱因斯坦的论文。事实上,儒勒·昂利·庞加莱从未写过一篇提到阿尔伯特·爱因斯坦的相对论论文。阿尔伯特·爱因斯坦本人的行为也类似,而儒勒·昂利·庞加莱阿尔伯特·爱因斯坦的论文中只被提到过一次。然而,亨德里克·洛伦兹受到了阿尔伯特·爱因斯坦儒勒·昂利·庞加莱两人的赞扬,并在他们的工作中经常被引用。

亨德里克·洛伦兹本人提出了一个谜题。尽管他清楚地理解了阿尔伯特·爱因斯坦的论文,他似乎从未接受它们的结论。他在1913年的一次演讲中谈到相对论被接受得多么迅速。就他个人而言,他并不那么确定。

就这位演讲者而言,他在较旧的解释中找到了一定的满足感,按照这种解释,以太至少具有某种实质性,空间和时间可以截然分开,并且可以不需进一步说明地谈论同时性。最后应当指出,那个大胆的断言——人们永远无法观测到大于光速的速度——包含了对我们所能触及之物的假设性限制,这种限制若不加保留是无法接受的。

尽管亨德里克·洛伦兹持谨慎态度,狭义相对论还是很快被接受了。1912年,亨德里克·洛伦兹阿尔伯特·爱因斯坦因他们在狭义相对论方面的工作被联合提名诺贝尔奖。推荐信由1911年获奖者威廉·维恩所写,信中说道

……虽然亨德里克·洛伦兹必须被视为第一个发现相对性原理数学内容的人,但阿尔伯特·爱因斯坦成功将其归结为一个简单原理。因此,应当认为两位研究者的功绩不相上下……

阿尔伯特·爱因斯坦从未因相对论获得诺贝尔奖。委员会起初持谨慎态度,等待实验证实。等到这样的证实出现时,阿尔伯特·爱因斯坦已经转向其他重大工作了。