狹義相對論是時代的產物,而愛因斯坦恰好出現了!

在人類歷史上兩位最偉大物理學家牛頓和愛因斯坦,他們都從事過引力方面的研究,使得天文學進入到引力天文時代。

這兩位偉大的科學家,都有一個共同的特性,都崇尚簡約之美。

像牛頓曾說,源于極少數幾個原理,歐幾里得幾何能夠給出累累碩果,這就是幾何的驕傲。

那么愛因斯坦也曾說過類似的這樣話,都是從最簡單的幾個公理原理出發,構造整個理論。

狹義相對論的提出是在1905年,由愛因斯坦完成的,嚴格來說,愛因斯坦并非是獨立完成了狹義相對論,是許多前人科學家共同的結晶。


伽利略變換

在20世紀初,物理學的天空存在有兩朵烏云,其中一朵烏云就來自于邁克爾遜莫雷實驗,這個實驗使得人們引入了狹義相對論。

在物理學當中存在伽利略的時空觀,他認為絕對靜止是不存在的,在所有的慣性系當中力學規律都具有相同的形式,它滿足伽利略相對性原理的要求,存在坐標的變換。

這就是伽利略的這樣一個坐標變換

這個坐標變換,在力學當中取得了巨大的成功。

時間一直到19世紀中葉或者19世紀晚期,當電動力學發展起來之后,情況就發生了變化,Maxwell給了一個電磁學的場方程


麥克斯韋場方程

這個方程可以給出電磁波的波動形式,這是一個波動的解,這個波動形式給出傳播速度就是光速。

那么現在問題就來了,這個速度它到底相對什么樣的坐標系呢?

如果這樣一個真空當中速度是對應某一個S系所進行的,那如果還存在另外一個S撇系相對S系存在有速度的話,那么按照伽利略坐標變換,那么C一撇和C之間就會有一個速度的差。

但是我們也知道,這個真空情況下,光速是由這兩個物理常數所決定,那么C一撇顯然無法滿足這樣一個要求。

所以說這就是使得Maxwell場方程不服從伽利略作為變換,他不滿足伽利略的的協變性的要求。

所以在這個時候人們就面臨一個問題,這個電磁波,它的光速到底是相對于哪一個坐標系?

問題提出來之后,人們肯定就要去思考,如何來通過實驗驗證這個問題?

在當時人們意識到,運動速度最高的一個物體是誰呢?實際上是我們地球繞著太陽做軌道運動,可以達到30公里每秒的速度。

邁克爾遜莫雷實驗

所以人們構造了一個實驗,像邁克爾遜莫雷實驗,一個電磁波通過干涉的條文來研究,通過不同的傳播路程,那這個電磁波到達時間是否有延時?

如果這個真空當中傳播的速度跟某一個介質有關,這個介質人們認為它是存在一個絕對的參考系。

在這個絕對參考性當中,光速的傳播是為C,并把這樣個介質叫做以太。


那地球相對于這個絕對的參考系,以太它運動行為會怎樣呢?

如果地球相對于以太存在有一定的速度的話,那么這個光沿著不同的路程過來,那它就會有時間上的差異。

但是測量的結果告訴我們,它沒有時間差,實際上是這個結果也預示著我們,要么地球就是跟著以太一起在走,或者是拖曳著跟著以太一起走的。

那對于這個問題的給出,它是基于速度的平方所給出的結果。

人們實際上還構造了對速度的一次方的一些實驗,其他這樣實驗所給出的結果實際上是部分拖曳的效果。

所以說這就存在了一個問題,為了解決這個疑難,洛倫茲引入了這樣一個動尺縮短的這樣概念,沿著運動的方向,這把尺子就可以縮短了。

這就可以把邁克爾遜莫雷實驗的問題解決

而對于尺子為什么縮短,它的物理的本質原因是什么,并沒有加以解釋

狹義相對論

愛因斯坦,提出了狹義相對論,他把狹義相對論用最簡潔的方式再現出來。

他首先給出第一條相對性原理說,物理定理在一切慣性系當中都具有相同的形式

這個說法跟伽利略的相對論非常的近似,但是對于伽利略的相對論時間和空間上是割裂的。

對于愛因斯坦而言,因為他把低速運動和高速運動相結合,使得時間和空間構成了整體,變成了時空。

第二條原理是光速不變原理,他認為在任何慣性系當中,真空中的光速都是一個常數,當然這個速度也是粒子能夠達到的最大速度。

在狹義相對論下,可以給出一些預言,如動遲縮短,動鐘延緩,運動物體的質量會增大。

對于這些預言,只有當粒子速度、運動物體的速度接近光速的時候才變得顯著。

人們之所以對狹義相對論發現得比較遲,原因就是因為我們生活在低速的世界里。只有當麥克斯韋電磁波引入之后,這個問題才凸顯出現。

也就是說,以前的人壓根沒往這方面想。所以,狹義相對論應時代而誕生,愛因斯坦也順勢而為。



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