《人类科学技术史-329》狭义相对论的创立（下）

狭义相对论的创立（下）

狭义相对论的核心内容及深刻的革命含义包含在它的两条基本原理以及由这两条原理导出的洛伦兹变换式中，更表现在由洛伦兹变换导出的一系列推论中。这些推论所描述的空间和时间的重要性质，从经典时空观看来是难以理解的，但却是客观存在，并得到实验的证实。

"同时"的相对性是洛伦兹变换的推论之一。由洛伦兹变换式可以很容易地证明，在某一惯性系中的不同地点同时发生的两个事件，在另一个惯性系的观察者看来，将是"不同时"发生的。光的传播需要时间即光速，不等于无穷大导致"同时"的相对性。如果依据经典力学所假定的，光速为无穷大，相互作用的传递不需要时间，"同时"便是绝对的了，并因而有绝对时间的概念。这里，"事件"是指空间某一地点发生的某一件事或某种现象。

"光速是物质运动的极限速度"是洛伦兹变换的另一个推论。从洛伦兹变换中可以导出，一个惯性参考系中先于B事件发生的A事件，在另一惯性参考系看来，可能在B事件之后发生，但这种情形只限于两个没有因果关系的两个事件。狭义相对论认为，对于两个有因果关系的事件来说，因果时序是绝对的，出生必先于死亡，播种必先于收获。基于此，可以导出惯性系之间的相对速度不能超过光速以及任何信号的传播速度也不可能超过光速的结论。狭义相对论的速度变换公式也可以证明，光速具有极限速度的特征。

"尺缩"效应是洛伦兹变换的又一个推论。洛伦兹和斐兹杰勒曾由经典力学的角度研究过"长度收缩"问题，他们认为运动物体是真地缩短了。狭义相对论认为，在静止参考系看来，以速度V运动着的物体，将沿运动方向按1V2/C2的比例收缩，但这是一种基于测量的效应。"尺子"将由于观察者或测量者所在的参考系的不同而不同。相对于"尺子"静止的测量者测得的"尺子"的长度称作静止长度或"原长"是最长的；而相对于"尺子"运动的任何测量者测得的长度总是小于原长，即"尺子收缩"了。这里，"尺子"可以是一段距离。

"钟慢"效应也是洛伦兹变换的一个重要推论。洛伦兹变换证明，运动惯性参考系中的一个物理过程，与静止参考系的同一过程相比要显得缓慢些。换句话说，运动的时钟变慢了。

"尺缩"和"钟慢"效应否定了经典力学中的"时间绝对性"和"长度绝对性"的概念。是对经典时空观的革命性否定。

狭义相对论还深刻揭示了时间与空间之间的相互关系。在传统的时空观中，时间与空间是互不相干的，这一点集中表现在伽利略的变换式中。而从洛伦兹变换式可见，时间和空间不再是相互独立的，"尺缩"和"钟慢"效应是相伴发生的，二者有一种"互补"关系。

1952年的π介子实验和之后对宇宙射线中大量高速粒子衰变过程的观测实验，都证实了"钟慢"效应以及与"钟慢"效应相关的"尺缩"效应。宇宙射线中含有许多能量极高的μ子，它们是在大气层上部产生的。静止μ子的平均寿命只有2.1971×10↑－6秒，如果不存在相对论效应，这些以接近光速运动的μ子只能飞行约600米。但实际上大部分μ子都能穿透几公里的大气层到达其底部。从地面参考系看，这种现象正是狭义相对论的"钟慢"效应——运动μ子寿命延长效应；从μ子所在的参考系看，这种现象是狭义相对论的"尺缩"效应——是相对它作高速运动的大气层的厚度缩小了，因此，在μ子存活的时间里可以飞越变薄了的大气层。高速运动的粒子在其较短的固有寿命中能飞越大气层，是客观事实而不是主观感觉的产物，这表明时钟延缓和尺度缩短的效应都是运动着的物质相互之间的时空关系的反映。

1972年，原子钟绕地球的环行则证实了狭义相对论和广义相对论的总效应。

狭义相对论还给出了两个非常重要的结论：一是运动物体的质量随速度的增加而增加；另一是质能关系式E＝MC2，它表示物体具有质量M的同时，也具有能量E，式中的C是光速。由于光速C是一数值巨大的常量(3×10↑8米／秒），这表示质量很小的物质蕴涵着巨大的能量，小的质量的变化，会伴随着巨大的能量变化。这一关系式为原子物理和基本粒子物理中的大量的实验所证实，它为人类寻求新的能源提供了理论依据，20世纪的原子能开发利用正是基于爱因斯坦的质能关系式。

爱因斯坦创立的狭义相对论通过闵可夫斯基的工作得到了新的发展。闵可夫斯基(1864-1909)曾是爱因斯坦在苏黎士时的老师，后来任哥廷根大学的数学教授。1907年，闵可夫斯基提出了四维时空理论，将爱因斯坦狭义相对论表述成非常简洁、优美的数学形式。他认为，应该把时间看作是"时空结合体"里的第四维，在通常的三个空间坐标的基础上，引进了第四个坐标ict。这样，就可以用四维坐标清楚地描述时空中发生的事件及事件的变化规律。

闵可夫斯基的工作从物理内容上看虽然没有新的内容，但它把洛伦兹变换的物理含义更清楚地表达了出来。1908年，闵可夫斯基在科隆召开的全德自然科学家与医生协会的第80次年会上，作了题为《空间与时间》的报告。他说："我要给你们剖析的时空观，是在实验物理学的土壤里孕育长大的，它富有生命力，而且有激进的趋势。从此，空间和时间本身完全变得模糊不清，只有两者的统一体才是独立存在的。"时间和空间再也不像经典时空观所表述的那样互不关联、相互独立地存在着了，它们合成了一个极端重要的新概念——四维的"空间-时间"。这种"四维时空连续统"也被称为"闵可夫斯基世界"。闵氏的工作后来成为相对论不可分割的一部分。在新的"四维时空连续统"中，两个事件的时空间隔如三维空间中两点间的距离一样，是不随参考系的变化而变换的；一个参考系相对另一个参考系的运动可视为四维坐标架的转动。相对论中时空的统一，使得在非相对论中相互独立的不同物理量显示出它们蕴涵的统一性，例如动量与能量的统一，电流密度和电荷密度的统一等。

在《空间与时间》的报告中，闵可夫斯基非常有预见性地指出，爱因斯坦的思想对近代人们的思维将产生深远的影响。闵可夫斯基的报告引起科学界对爱因斯坦工作的注意。

狭义相对论是对经典时空观的一次根本的变革，它否定了绝对空间和绝对时间，否定了"同时"的绝对性，揭示了时间和空间的不可分割性，并建立起时间和空间的依赖关系。整个物理学的理论因为狭义相对论而发生了巨大的变化，其成就是巨大的。但是，要人们真正认识爱因斯坦的科学研究成就，还需要较长的时间。当时，也只有个别的物理学家能够把他的理论看作是一个天才的发现。著名的理论物理学家普朗克就是其中的一位。他称赞爱因斯坦的《论动体的电动力学》一文具有划时代的意义，认为爱因斯坦时空观的"勇敢精神的确超乎自然科学研究和哲学认识论上至今所取得的一切大胆成果。"