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黑洞>第一篇：引力与光 第二章 相对论（1）
2007-05-02 08:32
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<黑洞>第一篇：引力与光 第二章 相对论（1）
相对论（1） 波动说的疑难 麦克斯韦的理论统一了电和磁，看似简化了物理学，实则使问题更为复杂，因为它 使伽利略和牛顿的宇宙图像孩起祸端、通过对电磁场的仔细的理论和实验研究，立即提 出了两个简单的问题，这两个问题最终导致了20世纪的两大理论物理成果；鼻子力学和 相对论。 第一个问题是，辐射的本质究竟是什么？麦克斯韦的理论把电磁辐射纯粹作为波来 处理，但是辐射可转移能量和动量的能力强烈地显示出其粒子性。到19世纪末，已有一 系列实验提供了辐射的不连续性的证据。 在两个世纪之交，马克斯·普朗克（Max Planck）提出了一个假设，即电磁波（尤 其是光）只能以一种能量包，即所谓量子的形式被发射或吸收。然而直到1905年，爱因 斯坦才首先把光量子看作真实的存在，现在称为光子。为解释光电效应，也就是金属板 被足够高频率的光照射时发出电子的现象，爱因斯坦假定辐射足由其能量与频率成正比 的真实粒子组成，这些粒子把能量传给金属中的电子，从而使电子射出。爱因斯坦复活 了牛顿的光的微粒论，这个理论曾被拉普拉斯用来推测巨大的暗星球对光的捕获。力学 与电磁学之间的明显对立直至对年后，即量子力学指出所有物质和辐射都具有波粒二象 性时，才得以消除。 第二个问题是，电磁波在什么媒质中传播？正是这个问题导致了对时空结构的探索， 从而产生了相对论。 运动与静止 相对论，这一在20世纪物理学里居于中心地位的辉煌成就，其思想并非由爱因斯坦 首创。相对性原理作为物理定律的基础已有3个世纪之久，这通常归功于伽利略，而实 际上给出正确表述的是笛卡儿。 在对自然界的研究中运用相对性原理，意味着可以合理地期望对物理现象的表述不 依赖于观测者的位置和运动。如果各个观测者得到的物理定律具有同样形式，他们所取 的参考系就是等价的。 伽利略已经注意到这样两个人所作的观测的等价性：一个在一条停靠港口即相对于 陆地静止的船里，另一个在一条沿直线匀速驶离港口的船里，每人都从舱里1米高处释 放一只球，则两球都竖直下落，经历的时间都是045秒。 伽利略知道，由于地球是圆的，驶离港口的船在作圆周运动。受圆形为完美的古老 思想影响，他因此断定圆周运动是物体的自然状态，与静止不可区分。笛卡儿也认识到， 均匀手动，即无限直线上的匀速运动，与静止不可区分。现代人都有这样的体验，坐在 停着的火车里看旁边一列开动的火车，会觉得自己的车在朝相反方向开动。 这些现象都很简单，然而包含着深刻意义，因为它们表明静止与匀速运动之间并无 差别。静止是一种惯性状态，与之等价的匀速运动就也是惯性态。 惯性原理可以表述如下：一个自由物体，即不受任何力的物体，以恒定速度运动。 地球本身几乎是一个理想的惯性参考系，因为对于通常实验室里时间不长的实验来 说，地球绕太阳的转动可以近似看作以30公里／秒的恒定速度沿直线运动。考虑到地球 的自转，可以通过选定指向遥远恒星的方向来建立地球惯性系。 射手与火车 惯性原理给予匀速运动的参考系以优越地位，这些参考系中的自然规律表现为“静 止”的形式。伽利略相对论，以及后来爱因斯坦的狭义相对论，都建立在所有惯性系 （包括静止参考系和匀速运动参考系）是等价的这个基础上。 但是，仅仅确定惯性系的这种性质是不够的。有了一个惯性系中对某一自然现象的 描述，物理学家还必须能在任何别的惯性系中也作出描述，他们需要的是从一个惯性系 转换到另一个的具体方式。正是在这个关键点上区分了伽利略相对论和狭义相对论。 爱因斯坦喜爱的表述这些抽象概念的方式是拿一列以V二108公里／小时（对米／秒） 的恒定速度奔驰的火车作例子。现在有两个惯性系，静止的铁轨和相对于铁轨作匀速运 动的火车。设想有一个坐在车厢顶上的人朝火车前进方向射出一颗子弹，子弹相对于人 的速度是V’2800米／秒。 运用伽利略变换公式从火车惯性系转换到铁轨惯性系，铁轨上的观测者测得的子弹 速度是I’＋t＝830米／秒。如果这个人再朝相反方向打一枪，则从铁轨上测量的子弹 速度是v’－v二770米／秒。与人们的常识一致，伽利略变换公式可以归结为简单的速 度矢量合成。 以太 以太，这个经典力学的不幸产儿…… ——马克斯·普朗克 如果所有恒速运动的参考系都与静止参考系等价，设想一个固定在欧几里德几何的 绝对空间里的参考系是很有吸引力的。对伽利略来说，这个绝对空间缚在太阳上，因为 太阳是宇宙的中心。牛顿则认为，绝对空间是以太，是亚里士多德的（气、水、火、土 以外的）第五要素，是一种弥漫于物体之间所有空隙的完全刚性的物质。 电磁理论的建立似乎支持了关于以太的思想。很难想象一个波能够没有媒质而传播： 声波要有空气，水波要有水。光作为电场和磁场的一种振荡，也就必然需要一种振动的 媒质使之得以传播，于是可以把以太定义为电磁波传播的媒质。 再来看火车上的射手。这回他用一支光枪，射出速度为30公里／秒的光弹。按照伽 利略变换公式，铁轨上的观测者测得的光速应分别是C＋C一月皿皿．奶公里／秒（朝火 车前进方向发射时）和C－C＝29999997公里／秒（朝相反方向发射时）。迈克尔逊 （Michelson）和莫雷（Morle力的实验，以地球来代替火车，以以太来代替铁轨，证明 了以上的推算是错误的。 判决性实验 这些著名的实验是阿尔伯特·迈克尔逊（AlbertMichelson）和爱德华·莫雷 （Edward Money）在1881到1894年之间做的。他们本来的意图是确定地球相对于以太的 绝对速度，为此制作了一台非常灵敏的干涉仪，用来测量沿地球运动方向和垂直方向上 的两束光之间的差异。他们预期能由此将地球的绝对运动测定到每秒几千公里的精确度。 迈克尔逊噗雷实验的原理可以用两条船的竞赛米比喻。两船的速度都是C，河水以 恒定速度C流动（图司。A船沿与水流平行的路线行驶一个来回，B船则由河的此岸驶到 彼岸，然后返回。每条船行驶的距离都是河宽的二倍。按照毕达哥拉斯定理，B船将获 胜。 在迈克尔逊噗雷实验里，c是光速，v是以太相对于地球的速度，但是比赛结果却不 同：两条“光子船”总是准确地同时到达。要弄懂这个结果，要么得设想地球是完全静 止在以太中，要么以太根本就不存在。 事后看来，如果我们严格遵照电磁理论，迈克尔逊和莫雷的结果并不奇怪。麦克斯 韦理论是与伽利略的相对性原理明显矛盾的，因为其中的光速是不变的，完全与参考系 无关。无论光弹沿什么方向，铁轨上的观测者测得的光弹速度既不是3 0．03公里9 秒也不是299999.97公里／秒，而精确地是300000公里／秒。光速在任何方向上、在任 何参考系里都是完全一样的。 伽利略相对论曾被认为是对惯性系中自然定律普适性的表述，而支配电磁现象的麦 克斯韦方程公然与之对抗。伽利略一牛顿的时空概念与电磁理论是不相容的，其中一个 必须被抛弃。 （未完待续） |
