《物理学史》word版.doc

物理学史4编辑相对论亨德里克安东洛伦兹编辑相对论产生的历史背景迈克耳孙-莫雷实验对以太风观测的零结果表明，或者所有有关以太的理论需要修改，例如像洛伦兹那样引入长度收缩因子，这样会带来一系列的修补工作；或者认为以太存在的理论根本就不成立。其实早在1865年麦克斯韦就已经证明电磁波传播速度只和介质有关，1890年赫兹在研究电磁理论时也得出了电磁波波速与波源速度无关的结论。然而，这个结论显然是不符合伽利略变换的，这说明对于运动中的物体需要一种新的电动力学。洛伦兹曾经在维持以太存在性的前提下发展过这样一种电磁理论，这被称作洛伦兹以太论。在这一理论中，以太和其他物质被严格区分开，以太是绝对静止的，这也是牛顿的绝对时空观的反映；然而有别于机械观的以太，洛伦兹的以太是一种电磁以太：洛伦兹假设电磁场是以太状态的体现，但他对此没有做更多的解释。洛伦兹用这一理论解释了塞曼效应，为此获得了1902年的诺贝尔物理学奖。1895年，洛伦兹给出了长度收缩的假设，并通过他的相关态定理提出了所谓本地时的概念50，运用这一概念他解释了光行差现象、多普勒频移和斐索流水实验。相关态定理是说相对于以太运动的观察者在他的参考系中观测到的物理现象应当和静止坐标系中的观察者看到的是相同的。本地时的概念在数学上相当于狭义相对论中同时性的相对性，但在洛伦兹的理论中它只是一种数学上的辅助工具，没有实在的物理意义。同一年，洛伦兹引入了一组适用于麦克斯韦电磁理论在相对以太运动的坐标系中时空变换的方程，即洛伦兹变换，并于1899年和1904年对洛伦兹变换进行了补充和修正53，他的1904年的论文以任意小于光速的系统中的电磁现象给出的洛伦兹变换已经非常接近于现代的定义54。法国数学家、科学家昂利庞加莱一直是洛伦兹观点的阐释者及批判者，1900年他对洛伦兹的本地时概念的起源作出了具有物理意义的解释55，即本地时来自不同坐标系间通过光速进行的时钟同步，这就是狭义相对论中同时性的相对性的概念。1904年庞加莱在独立于爱因斯坦工作的情形下提出了相对性原理56：任何力学和电磁学实验都不能区分静止和匀速运动的任何惯性参考系，这条原理后来成为狭义相对论的两条基本原理之一。1905年6月5日，庞加莱在给洛伦兹的信中证明了洛伦兹于1904年论文中给出的电磁方程组不是洛伦兹协变的，并重新修正了洛伦兹变换的方程。庞加莱的这一组方程正是沿用至今的洛伦兹变换形式，也正是庞加莱此时首次将这一组方程命名为洛伦兹变换57。洛伦兹建立的基本观点是，在一组特定的变换下电磁场的方程组形式并不(随坐标系)改变，我将这组变换称做洛伦兹变换：-昂利庞加莱,论电子的动力学他证明了洛伦兹变换是最小作用量原理的一个推论，并用群论的语言描述了洛伦兹变换，即洛伦兹群，这些内容都包含在他于1906年1月发表的论文论电子的动力学中57。爱因斯坦将洛伦兹和庞加莱称作相对论的先驱，他指出在他之前洛伦兹已经认识到这种以他名字命名的变换对分析麦克斯韦方程组的重要作用，而庞加莱则做出了更深入的研究58。阿尔伯特爱因斯坦编辑狭义相对论编辑论动体的电动力学德国犹太物理学家阿尔伯特爱因斯坦于1900年毕业于苏黎世联邦理工学院，而后于1901年获瑞士国籍。爱因斯坦首先在各种对以太风观测的零结果中猜想到以太的不存在性，并在对洛伦兹和庞加莱的理论的研究中发现了动体的电动力学导致的光速不变性与原本的速度叠加原理的矛盾。对于这一矛盾，爱因斯坦声称是其好友米歇尔贝索帮助他领悟到了解决方案，即同时性的相对性。1905年6月30日，爱因斯坦完成了划时代的著名论文：论动体的电动力学，并发表在同年9月的物理年鉴上59。在这篇论文中，爱因斯坦开头便指出了麦克斯韦电磁理论应用于动体时表现出的内在不对称性(引用了一个著名的理想实验-运动的磁体和导体问题来说明)，为同时性下了新的定义，从而引出了他的狭义相对论理论，这一理论基于两个基本公设(原文用词为原理)：物理体系的状态据以变化的定律，同描述这些状态变化时所参照的坐标系究竟是两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。任何光线在静止的坐标系中都是以确定的速度c运动着，不管这道光线是由静止的还是运动的物体发射出来的。-阿尔伯特爱因斯坦,论动体的电动力学第一条公设也就相当于庞加莱的相对性原理，第二条公设来自于从麦克斯韦理论推出的光速不变原理。爱因斯坦首先从这两条基本原理出发，从而可以推导出电动力学中坐标系的变换法则，即洛伦兹变换(这有别于洛伦兹首先从坐标变换规律出发的方法)。在洛伦兹变换的基础上，爱因斯坦很自然地在论文的动力学部分中推导出长度收缩、时间膨胀、速度的合成等新的物理概念。在电动力学部分中，爱因斯坦描述了麦克斯韦-赫兹方程组在洛伦兹变换下的形式，并应用狭义相对论解释了多普勒频移和光行差现象，以及加速电子的动力学。其中在有关加速电子的章节中，爱因斯坦得到了运动电子的相对论动能公式。同年11月，爱因斯坦在另一篇论文物体的惯性同它所含的能量有关吗?中阐述了狭义相对论中的质能等价关系，从此提出有别于经典能量的静止能量的概念60。编辑狭义相对论的参考溯源值得注意的是，论动体的电动力学没有引用其他任何参考文献，于是人们因此关注爱因斯坦在创立相对论时到底受到了哪些启发。爱因斯坦本人声称他的思想受到了经验主义哲学家大卫休谟和恩斯特马赫的影响。其他影响爱因斯坦发展狭义相对论的物理研究应该还包括庞加莱的相对性原理、运动的磁体和导体问题、各种对以太风观测实验的否定结果-然而，爱因斯坦否认了其中最重要的实验，即迈克耳孙-莫雷实验对他产生过任何重要影响61。其他可能的参考来源还有庞加莱描述相对性原理的科学与假说62，以及马克斯亚伯拉罕的著作，爱因斯坦从中借用了麦克斯韦-赫兹方程组和纵向和横向质量等词汇63。根据他对于电动力学和光速不变原理的观点，爱因斯坦认为洛伦兹在1895年的理论(所谓麦克斯韦-洛伦兹电动力学)和斐索流水实验对他的思想产生过相当大的影响。1909年和1912年爱因斯坦两次叙述说他曾借用过洛伦兹的静止以太理论中的原理(意味着承认麦克斯韦方程组在以太系下的正确性以及光速不变)，但他发现如果同时假设光速不变和相对性原理，则以太的概念是没有用的58。根据他1907年及其后续论文，这两个原理看似矛盾之处是可以被解决的，方法就是不再将洛伦兹的本地时概念看作一个数学上的辅助参量，而是当作与信号速度有关的具有物理实在的时间。如前所述，庞加莱在独立于爱因斯坦工作的情形下也得到了本地时的类似物理解释，并且也和信号速度有关；然而他的不足之处在于仍然坚持认为在以太中的时间才是真正的时间，相对以太运动的时钟指示的是表象的时间。爱因斯坦在1953年回忆狭义相对论的发展时曾说：对我而言，我当时只了解洛伦兹于1895年的工作而并不清楚他之后的工作，也不清楚庞加莱的后续研究。从这个意义上说，我在1905年的工作是独立完成的。即使承认了洛伦兹、庞加莱和马赫等人为狭义相对论的创立做出了重要铺垫工作，但正如爱因斯坦所言，他在狭义相对论中无与伦比的突出贡献是建立了麦克斯韦方程组和洛伦兹变换两者之间的内在联系，并认识到在狭义相对论的框架下洛伦兹不变性是任何物理定律都普遍具有的时空本性58。编辑早期科学界的接受早期的物理学界对相对论一直持怀疑态度，即使到了1921年爱因斯坦获诺贝尔奖的原因仍然并非由于相对论的建立。相对论最初的支持者大多来自爱因斯坦的故乡德国：最早引用爱因斯坦工作的物理学家可能是德国实验物理学家沃尔特考夫曼，他在1905年至1906年间比较了洛伦兹和爱因斯坦的理论，并称自己更偏好爱因斯坦的观点，但他又认为这两种理论在观测上是等价的。从而他将相对性原理称作洛伦兹-爱因斯坦的基本假设，而洛伦兹-爱因斯坦理论这一名称也被其他人使用过数年之久63。马克斯普朗克也随后发表了他的第一篇有关相对论的论文，其中他将爱因斯坦的理论看作是洛伦兹理论的推广。据研究表明，普朗克在1906年曾使用词语相对性理论(Relativtheorie，这一名称是相对亚伯拉罕的球体理论而言的)和洛伦兹-爱因斯坦理论并称狭义相对论。爱因斯坦本人及其他一些人的称法是相对性原理，很长一段时间里这些不同的称呼被不同的物理学家交替使用着63。1906年考夫曼发表了他对加速电子荷质比测量的实验结果(即质量与速度的相关性)，这一结果清楚地显示了和相对性原理及洛伦兹-爱因斯坦理论的相违背，却反而支持了亚伯拉罕理论。在这以后几年里，这一实验都被看作是反对狭义相对论的有力佐证，而洛伦兹对这一实验结果感到非常失望。然而德国物理学家阿尔弗雷德布克尔(1908年)等人的其后类似实验都支持洛伦兹-爱因斯坦理论，反对亚伯拉罕的理论。不过，后来有人指出所有以上提到的实验精度都不足以测量出洛伦兹-爱因斯坦理论和亚伯拉罕理论的区别，因此直到二十世纪四十年代更精确的实验结果得出后才真正显示出狭义相对论的正确性63。编辑广义相对论爱因斯坦1916年的论文广义相对论的基础64编辑狭义相对论+等效原理如爱因斯坦所注意到的，狭义相对论的不足之处在于，惯性系相比于非惯性系是一种更为优越的参考系，因为只有在惯性系中物理定律才具有洛伦兹不变性(形式才会保持不变)。从这个角度来说只有当一个理论不依赖于观察者所处的运动状态时，这个理论才算是令人满意的。爱因斯坦注意到了有关惯性、加速度、引力等物理概念的内在联系，特别是惯性质量和引力质量的等价性，即任何测试质量在引力场中的自由落体轨迹只和它的初始位置和速度有关，这在相对论中被称作弱等效原理。对于弱等效原理的解释，爱因斯坦有着一个著名的理想实验：假设有一个处在狭小的封闭空间中的观察者，他将无法通过观测落下小球的运动轨迹来判断自己是处于地面上的引力场中，还是处于一艘无引力作用但正在加速的火箭内。在这个实验的基础上爱因斯坦进一步想到，由于引力场在空间中存在分布的变化，弱等效原理需要加上局部的条件，即在足够小的时空区域内引力场中的自由落体运动和均一加速参考系中的惯性运动是完全相同的。并且，虽然这个实验是基于小球的质量属性所构思的，但狭义相对论已经告诉人们质量只不过是系统能量和动量的一种表现形式，那么可以想到的是，无论采取什么性质的物理实验(而不仅仅是利用质量的引力实验)处于封闭空间中的观察者都无法区分自己是处于引力场还是加速参考系中。在这些思想的基础上，爱因斯坦于1907年发表了论文关于相对性原理和由此得出的结论65，这篇论文标志着他对建立一个基于狭义相对论基础的引力理论的漫长探索的开始。爱因斯坦在这篇论文中将弱等效原理扩展为上面所述的爱因斯坦等效原理：在足够小的时空区域中物理定律退化成狭义相对论中的形式；而不可能通过局部的实验来探测到周围引力场的存在。既然非惯性系等价于引力场，爱因斯坦从而将狭义相对论中的相对性原理也做了推广：在狭义相对论中所有的惯性系都是平权的，物理定律形式不变；但在新的理论中，所有的参考系都是平权的，物理定律形式不会因惯性系或非惯性系而改变，这一推广的相对性原理被称作广义相对性原理。编辑引力场方程的建立虽然认识到了狭义相对论需要推广为广义相对论，并确立了两条基本原理，爱因斯坦仍然为探索这一新理论研究了八年之久(1907年至1915年)。这期间他面临的一个主要问题是缺乏有效的数学工具，直到1913年他在德国数学家马塞尔格罗斯曼的帮助下发表了一篇突破性的论文：广义相对论和引力理论纲要66，题目标注了物理部分作者为爱因斯坦，数学部分作者为格罗斯曼。这篇论文中原来单一的牛顿标量引力场被一个具有十个分量的四阶对称黎曼张量引力场替代，从此物理学中的时空不再是平直的，而成为了在全局上具有曲率但在局部平直的黎曼流形。1914年，爱因斯坦发表了广义相对论正式基础67，其中他得到了广义相对论中描述粒子运动的方程：测地线方程，并籍此推导了引力场中的光线偏折和引力红移的结果(此次得出的光线偏折结果并不正确，而爱因斯坦曾于1907年用等效方法推导出引力红移)。1915年11月，爱因斯坦发表了他最终推导出引力场方程的四篇论文，其中用广义相对论解释水星近日点运动证明了广义相对论能够解释自1859年以来困扰天文学家的水星的反常进动现象68，而引力场方程则正式给出了描述引力场和物质相互作用的爱因斯坦引力场方程69。亚瑟斯坦利爱丁顿爵士编辑广义相对论的实验验证广义相对论创立之初还没有一个稳固的实验观测基础来证实，爱因斯坦本人提出过三种验证广义相对论的实验方法，分别为水星轨道的近日点进动、太阳引力场中的光线偏折和光波的引力红移。在当时只有第一种方法是很早就被观测到的现象：1859年法国天文学家勒维耶就发现水星的实际轨道进动与预期的并不十分相符，即使考虑到太阳系中其他行星的影响，实际的进动速度还是要比经典力学所预言的稍快一点(根据西蒙纽康在1882年的计算，这个差值大约为每世纪43弧度秒)70。在很长时间内这个原因都得不到合理的解释，经典的假说包括行星际尘埃、太阳本身未被观测到的椭球性、水星未被观测到的卫星、水内小行星的存在，甚至有人猜测牛顿的万有引力定律并非严格的平方反比律，但这些假说都没能获得成功71。1915年，爱因斯坦在论文用广义相对论解释水星近日点运动中计算了水星在太阳引力场中的轨道进动并推导出了进动的角位移公式，所得的理论数值完全符合纽康的结果68。爱丁顿于1919年为验证广义相对论拍摄的日全食底片1911年爱因斯坦在论文论引力对光的传播的影响中提出光线在太阳附近经过时会因太阳引力场的作用导致传播方向发生偏折，不过直到1915年他才给出正确计算得出的偏折角度。当时正值第一次世界大战期间，英国与德国之间的学术交流也由此中断。所幸的是，英国天体物理学家亚瑟斯坦利爱丁顿爵士当时在英国皇家天文学会任秘书