3.狭义相对论: 重构科学界的爱因斯坦论文
爱因斯坦在1905年发表的论文,提出了狭义相对论,推翻了19世纪科学界的两个绝对物:“以太”代表的绝对静止和所有钟表都能测量的绝对或普适时间。
纯属多余的“以太”观念
“以太”说曾经在一段历史时期内在人们头脑中根深蒂固,深刻地左右着物理学家的思想。但随着迈克耳孙-莫雷实验的结果,以及阿尔伯特·爱因斯坦在《论动体的电动力学》论文前言中发表的观点“‘光以太’的引用将被证明是多余的”,使20世纪的科学界开始真正地审视“以太”观念,并逐渐认识到,所谓“以太”介质,可能根本就不存在。
两种否定“以太”的观点
时间相对
阿尔伯特·爱因斯坦在1905年6月撰写的论文中指出,如果人们不能检测出光是否穿越空间运动,那么“以太”观念纯属多余。同时,他以科学定律对于所有自由运动的观察者都适用的假设为出发点,认为不管他们多快地运动,都会测量到相同的光速。光速和他们的运动无关,并且在所有方向上都大小相同。
光速 = 299 792 458 m/s
光速不变原理
光速不变原理,在狭义相对论中,是指无论在何种惯性系(惯性参照系)中观察,光在真空中的传播速度都是一个常数,不随光源和观察者所在参考系的相对运动而改变。
这就需要抛弃一个固有观念,即钟表测量称为的时间,并不是一个恒定的标准。事实上,每个人都有自己个人的时间。如果两个人处于相对静止状态,他们的时间一致;但如果两个人处于相互运动状态,时间则不一致。这一观点已经被很多实验证实,其中最为著名的便是两台以相反方向绕地球飞行的精确钟表,返回后显示的时间出现了微小差异。
钟表环球飞行实验
两架环绕地球飞行的飞机上,装有两台时间精准的钟表,它们从同一起点开始朝相反方向飞去。而当它们重新相遇时,向东飞行的钟表流逝的时间稍微短一些。
狭义相对论
《论动体的电动力学》论文中提出了区别于牛顿时空观的新的平直时空理论,最后被命名为“狭义相对论”。这一伟大发现,奠定了爱因斯坦在科学界的地位,甚至有人认为,爱因斯坦是继伽利略、牛顿之后最伟大的科学家之一。
然而,爱因斯坦撰写这篇论文的起因,却是16岁时便开始思考的光与“以太”问题。这个问题在他的心中酝酿了十年之久。他常常到好朋友贝索家聚会,并乐此不疲地和贝索讨论哲学或科学问题,最终在1905年5月,终于想明白一个关键问题,立即开始了《论动体的电动力学》论文的写作,成稿最终由他的妻子米列娃校对并寄给《物理学年鉴》。
《物理学年鉴》
《物理学年鉴》是1790年开始刊行的德国物理学期刊,一些改变20世纪物理学面貌的论文最初都发表在此期刊上。此期刊地位有如今日的美国期刊《物理评论》。
爱因斯坦相对论的基础,即假定自然定律对于所有自由运动的观察者应该显得相同。这就是说,只有相对运动才是重要的。这一简单和美丽的科学观点征服了许多思想家,同时也推翻了19世纪科学中代表绝对静止的“以太”,以及钟表代表的绝对或普适时间。
狭义相对论的预言
狭义相对论预言了牛顿经典物理学中所没有的一些新效应,即相对论效应,其中包括时间膨胀和长度收缩等。