物理学是怎样实现从经典力学到相对论的飞跃的?从中有什么启示?
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发布时间：2023-06-24 08:21
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时间：2024-12-12 19:37
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在20世纪的世纪之交时，著名物理学家汤姆孙提出，物理科学的大厦已经基本完成，明朗的天空中还有两朵令人不安的乌云，一个是与黑体辐射有关，另一个则与光的速度有关。当光速问题的乌云散尽，迎来的是相对论的曙光，物理从此完成了一次质的飞跃，来到了一片前所未有的广阔天地。
经典物理的发展经历了一个漫长的过程，17世纪，伽利略率先打破亚里士多德的观点，总结出了自由落体的距离与时间平方成正比的关系，以及著名的斜面理想实验来思考运动的问题。随后惯性定理由笛卡尔完成，继而，科学史上的一位巨人提出了牛顿三大定律和万有引力定律，建立了以牛顿力学为代表的经典力学体系，同时，物理学家在光和电磁方面取得了喜人的成就。然而，在科学不断发展的过程中，经典物理逐渐显出它的局限性。当物体运动的速度比真空中的光速小得多时，质量、时间和长度的变化很小，可以忽略，经典力学完全适用。但如果物体运动速度可以和光速相比较时，质量、时间和长度的变化就很大，经典力学就不再适用。物理学研究深入到微观世界，发现微观粒子不但具有粒子的性质，还能产生干涉、衍射现象。干涉和衍射是波所特有的性质。也就是说微观粒子具有波动性。这是经典物理学无法解释的。天文观测发现行星的轨道并不严格闭合，它们的近日点在不断地旋进。这种现象称为行星的轨道旋进。这是用牛顿万有引力定律无法得到满意解释的。这些问题的提出都说明物理学急需新的理论来完善。
1801年，托马斯·杨的双缝干涉实验表明光是一种波，既然是波，则需要一种载体，于是人们提出了以太这一介质，认为以太充斥整个宇宙，它是电磁波传播是所需要的介质。这样一个重要的问题被提出来：以太相对于地球是否运动?科学界认为比较合理的设想是：以太相对于牛顿所说的“绝对空间”静止，因而在绝对空间中运动的地球，应该在以太中穿行。19世纪中叶，麦克斯韦继承利用以太传播光和电磁现象的以太力学模型，总结已发现的各种电磁现象规律，推导出了一组电磁场方程称为麦克斯韦方程，建立了以场相互作用代替牛顿超距作用的电磁场论，成为了*性的理论。1888年赫兹从实验上发现了电磁波，为电磁场论提供了确实可靠的实验证据，麦克斯韦电磁场论是对牛顿绝对时空观的严重冲击和挑战。因为麦克斯韦电磁场方程不适用于以绝对时空为基础的伽利略相对性原理，对伽利略变换不能保持其不变性和对称性，而只适用于以静止以太为标志的唯一优先坐标系，只对静止以太坐标系保持其不变性和对称性，由此导致了牛顿力学与麦克斯韦电动力学在相对运动上的不对称性。其中最为明显的，依据牛顿力学中的速度合成定律，光速必须受到光源或者观察者运动状态的影响，必须对相对运动具有明显的方向性和相对性。迈克尔孙－莫雷实验应用迈克尔孙干涉仪，通过测量光速沿不同方向差异来寻找以太参照系的主要实验。若地球相对于以太运动，那么这种运动应该影响光相对于地球的速度，并且应产生一些可观察的光学效应，使我们能确定地球相对于以太的运动。然而，这一实验和其它实验都表明，不论光源和观察者做怎样的相对运动，光速都是相同的，迈克尔孙－莫雷实验实验否定了特殊参考系的存在，这就意味着不存在以太，光速不依赖于观察者所在的参考系。
爱因斯坦深受奥地利物理学家兼哲学家马赫的影响。马赫曾勇敢地批判占统治地位的牛顿的绝对时空观，认为根本就不存在绝对空间和绝对运动，一切运动都是相对的。爱因斯坦接受马赫相对运动的思想，认为以太理论和绝对空间概念应该放弃。他认为伽利略变换不等于相对性原理。他考虑了麦克斯韦电磁理论及相对性原理与伽利略变换之问的矛盾。认为“光速不变”和“相对性原理”比伽利略变换更基本。以此作为两个基本假设提出了狭义相对论。这一新的物理学基础，抛弃了绝对时间和绝对空间的概念，他认为，抛弃了绝对空间和绝对时间的概念后，“以太”的观念就是完全多余的。
狭义相对论向人们展开了一种不同于经典力学的时空观，在这种时空观中，同时性时空的度量不再是绝对的，而是相对的。从相对论的基本假设入手，可以较为容易的得出一些结论。在一节高速行驶的列车车厢*有一个光源，它发出一个闪光，照到前后两壁，车内的观察者认为闪光同时到达前后壁，而地面上的观察者则认为光到达后壁，两者不同时，进而可得出一个推论，即对于高速运动的观察者来说，沿运动方向靠前一些的事件先发生，是所谓“同时”的相对性，而日常生活中，宏观物体运动的速度远小于光速，所以察觉不到这种相对性。根据同时的相对性则容易得出更让人难以理解的结论，即钟慢效应和尺缩效应。为了能更好的理解钟慢尺缩，在这里用声速做类比，相对光速测量来说，接近光速才是高速运动，而相对声音测量来说，接近声速就是高速运动了，如果一个钟，以0.5倍声速从原点远去，一秒钟时，它距离原点0.5声秒距离报1秒，但这个事件我们在原点听见，需要再过0.5秒，于是我们发现，在本地钟1.5秒时，远处的钟报1秒，本地钟3秒时，远离的钟报2秒，也就是我们在忽略信号传递时间时，误以为远去的钟慢了。而且速度越快，钟慢得越厉害。 再假设有一把尺长1声秒，而我们的测量地面上有一无限长尺子固定不动，运动尺头尾各有一个探测装置，在探测到与地面某一尺刻度重合时，用声音报出该刻度，我们在地面尺原点接收声音。尺匀速运动逐渐远离，当尺尾报0声秒时，尺头已经距离我们1声秒，而这个距离，要1秒后我们才能收到；当尺尾到1声秒距离时，尺头到2声秒，还是要在我们收到尺尾报1声秒后1秒，我们才能收到尺头报2声秒，于是我们会直观的认为，尺尾先到刻度，尺头后到达它本应立刻到达的刻度，感觉好象远离的尺，缩短了。而且运动速度越快，感觉短的越厉害。
狭义相对论是只限于讨论惯性系情况的相对论。牛顿时空观认为空间是平直的、各向同性的和各点同性的的三维空间——绝对空间，时间是独立于空间的单独一维（因而也是绝对的），即绝对时空观。狭义相对论认为空间和时间并不相互独立，而是一个统一的四维时空整体，并不存在绝对的空间和时间。将真空中光速为常数作为基本假设，结合狭义相对性原理和上述时空的性质可以推出洛仑兹变换，对于任意事件P在S系和S’系中的时空坐标（x,y,z,t)、（x',y',z',t'),S'相对于S以平行于x轴的速度u做匀速运动，则有洛伦兹变换式：
x'=(x-ut)/√(1-u^2/c^2) y'=y z'=z t'=(t-ux/c^2)/√(1-u^2/c^2)
洛伦兹变换是两条基本原理的直接结果，在洛伦兹变换下，麦克斯韦方程组是不变的，而牛顿力学定律则要改变，故麦克斯韦方程组能够用来描述高速运动的电磁现象，而牛顿力学有一定的适用范围，当u/c很小时，洛伦兹变换就成了伽利略变换，即是后者是前者在低速下的极限，故牛顿力学仅是相对论力学的特殊情形--低速极限。在狭义相对论中，虽然出现了用牛顿力学观点完全不能理解的结论：空间和时间随物质运动而变化，质量随运动而变化，质量和能量的相互转化，但是狭义相对论并不是完全和牛顿力学割裂的，当运动速度远低于光速的时候，狭义相对论的结论和牛顿力学就不会有什么区别 。
相对论从逻辑思想上统一了经典物理学，使经典物理学成为一个完美的科学体系。狭义相对论在狭义相对性原理的基础上统一了牛顿力学和麦克斯韦电动力学两个体系，指出它们都服从狭义相对性原理，都是对洛伦兹变换协变的，牛顿力学只不过是物体在低速运动下很好的近似规律。广义相对论又在广义协变的基础上，通过等效原理，建立了局域惯性长与普遍参照系数之间的关系，得到了所有物理规律的广义协变形式，并建立了广义协变的引力理论,而牛顿引力理论只是它的一级近似。这就从根本上解决了以前物理学只限于惯性系数的问题，从逻辑上得到了合理的安排。相对论严格地考察了时间、空间、物质和运动这些物理学的基本概念,给出了科学而系统的时空观和物质观，从而使物理学在逻辑上成为较为完美的科学体系。
