北京大学物理学院-第1章-相对论1

诗人们总说，科学家看不见星星的美丽——星星在科学家眼里仅仅是一堆聚集的气体原子。没有什么是“仅仅是”。我能看见沙漠夜空里的星星，也能感觉到它们。但是我是不是看见的比别人少，或者多些？广袤的天空激起了的幻想——盯着这个旋转的天穹，我用我的小眼睛能捕捉100万年以前发出的光线……或者可以通过帕洛马山(美国加州西南部)上的大眼睛(望远镜)来观测这些星星，望远镜能把大量从同一光源发射的光聚集到一起，也许本来这些光就是在一起的。这是一副什么图像，或者说这意味着什么，或者说为什么这样？我们知道一点宇宙，并不影响宇宙的神秘性。因为宇宙比以前任何一个艺术家能想象的都要奇妙得多。为什么现在的诗人们不说这个呢？最后，请允许我说明我讲这门课的主要目的。我的目的不是叫你们如何应付考试，甚至不是让你们掌握这些知识，以便更好地为今后你们面临的工业或者军事工作服务。我最希望的是，你们能够像真正的物理学家们一样，欣赏到这个世界的美妙。物理学家们看待这个世界的方式，我相信，是这个现代化时代真正文化内涵的主要部分。(也许有一些别的学科的科学家会反对我的说法，但我相信他们绝对是错误的。)也许你们学会的不仅仅是如何欣赏这种文化，甚至也愿意参加到这个人类思想诞生以来最伟大的探索中来。——理察德•费曼1第一章相对论IfAisasuccessinlife,thenAequalsxplusyplusz.Workisx;yisplay;andziskeepingyourmouthshut.------Einstein2时间物理学的发展顺序力学电磁学热学相对论量子论1600170018001900要想了解一门学科，

最好的办法是先读读它的历史。3两个根本问题：相对于任一参考系分析研究物体的运动，都要应用基本力学定律，对于不同的参考系，基本力学定律的形式是完全一样吗？相对于不同的参考系，长度和时间的测量结果是一样的吗？物理学对这些问题的解答，经历了从牛顿力学到相对论的发展4惯性定律加速度定律作用和反作用定律物理运动三大定律1.万有引力定律2.经典力学体系经典力学体系的主要内容51、在光学方面，牛顿发现了日光是由不同的颜色即不同波长的光构成的，奠定了光谱分析的基础，制作了牛顿色盘。他在1704年出版了《光学》一书，创立了光的“微粒说”。2、在热学方面也有研究成果，确定了冷却定律。3、在数学方面，他与莱布尼兹几乎同时创立了微积分学，同时，他还在前人研究基础上，建立了二项式定理。4、在天文学领域，1671年创制了反射望远镜，初步考察了行星的运动规律；他还解释了潮汐现象，并预言地球不是正球体，并由此说明了岁差现象。牛顿在其他方面的主要成就6英国著名诗人亚历山大·波普曾写过一首赞美牛顿的诗：

自然和自然界的规律，隐藏在黑暗里。上帝说：“让牛顿去吧！”于是，一切成为光明。7空间是绝对的——空间任意两点的距离与惯性系的选择无关时间是绝对的——事件（过程）持续的时间与惯性系的选择无关同时性是绝对的——同时发生的两个事件，在所有的惯性系中观察都是同时的质量是绝对的——物体的质量与惯性系的选择无关牛顿的时空观81.经典力学基本概念和基本原理的固有局限性主要表现在以下几个方面。经典物理学与经典力学的局限性和潜在矛盾

尽管牛顿一再声明“我不做假设”，但他还是引入了超越经验的绝对时间、绝对空间等基本概念。按照牛顿的说法，绝对的、真正的和数学的时间自身在流逝着，而且由于其本性而均匀地、与任何其他外界事物无关地流逝着。绝对空间就其本性而言，是与任何外界事物无关而永远是相同的和不动的。绝对运动是一个物体从某一绝对的处所向另一绝对的处所的移动，牛顿以著名的旋转水桶实验证明绝对运动的存在。（1）开始，桶在绳恢复原有状态的作用下快速旋转，由于水和桶的粘滞力很小，水尚未旋转起来，水面是平的；（2）在粘滞力长时间的作用下，水和桶一起旋转，水受到惯性离心力的作用向桶壁挤压，水面呈下凹形；（3）让桶突然静止，水仍在旋转，水面仍然是下凹。

9

牛顿分析以上实验结果认为，在（1）（3）两种情形，水对于桶都有相对运动，但前者水面是平的，而后者是下凹的，在（2）（3）两种情形，无论水对于桶是否有相对运动，水面都是下凹的，因此，水对于桶的相对运动不是水面下凹的原因，水面下凹的真正原因在于水在空间里作绝对转动，受到惯性离心力造成的。这说明存在着可以观察出物体作绝对运动的绝对空间，加速度是绝对的。10牛顿虽然对引力的本质持审慎态度，但最终还是对它作了抽象的、纯粹数学形式的概括，把它实际看作是一种直接的、即时传递的超距作用力。经典力学的定律和公式都是机械决定论的。在经典力学中物体的质量是恒定不变的，它与物体的速度或能量无关。经典力学定律只适用于宏观低速世界，对于可与光速相比的高速情况和微观世界的适用问题，当时没有涉及也不可能涉及。11物理学的大综合J.C.Maxwell(1831-1879)力热声光电磁经典物理学I.Newton(1642-1727)12On27thApril1900,LordKelvinmentionedinalecture

“Nineteenth-CenturyCloudsovertheDynamicalTheoryofHeatandLight”the“beautyandclearnessoftheory”wasovershadowedby“twoclouds”:thenullresultoftheMichelson-Morleyexperimenttheproblemsofblackbodyradiation.

"Thereisnothingnewtobediscoveredinphysicsnow.Allthatremainsismoreandmoreprecisemeasurement."

(1900)LordKelvin(WilliamThomson)(1824-1907)

乌云变彩霞相对论和量子力学13果真如此吗？

14经典力学基本概念的动摇

当时的物理学家们十分迷恋经典力学，陷于机械自然观而不能自拔。正是在这样的历史环境下，当动摇经典理论基础的新实验和新发现还未大量涌现时，当物理学家还沉浸在盲目乐观的情绪之中时，马赫（精通拉丁文、希腊文、法文、意大利文和英文）就看出了经典力学理论框架的局限性。他于1893年出版了他的历史性著作《力学及其发展的批判历史概论》，对经典力学进行了全面的、深入的批判。1.马赫对经典力学的批判马赫15

《力学及其发展的批判历史概论》共分为五章，它们分别是：“静力学原理的发展”、“动力学原理的发展”，“力学原理的推广运用和力学的演绎发展”，“力学的形式发展”、“力学和其他知识范围的关系”。

马赫试图说明这样一些问题：我们对力学的科学内容有些什么样疑问，我们是如何得到这些内容的，我们是从何处导出它们的，它们能在什么程度上为我们牢固地占有。

马赫在对经典力学进行批判的时候，其矛头直指力学先验论。马赫力图使人们相信，自然的性质不能借助于所谓不证自明的假设来捏造，而只应该从经验中引出。马赫指出：“我们思考的最重要的结果就是，即使表面上看起来最简单的力学定律，实际上也具有十分复杂的特征，这些定律停留在未完成的、甚至永远也不会终止的经验上，……决不应该把它们看作数学上确定了的真理，而宁可看作不仅能够被经验永恒支配，而且也需要由经验来永恒支配的定理。”16

牛顿认为物体具有保持原有运动状态的属性，这种属性称为惯性。惯性是物质的固有属性。马赫不同意把惯性看成是物体固有的性质，认为在一个孤立的空间里谈论物体的惯性是毫无意义的，提出惯性来源于宇宙间物质的相互作用。惯性：

牛顿在《自然哲学的数学原理》中，第一条定义是“物质的质量是物质的度量，可由其密度和体积共同求出。”但他又说过：“物质的量同物体的惯性成正比；密度相同的物体是指那些其惯性与其体积之比是相等的物体。”马赫认为牛顿的质量定义(体积与密度之积)是一个“伪定义”，质量的真正定义只能从物体的力学关系中推导出来，为了使应用具体化，他基于作用与反作用原理提出：物体由于相互作用，只要彼此产生大小相等、方向相反的加速度，那么这些物体的质量就相等。质量：对牛顿力学基本概念的批判17对牛顿绝对时空观的批判

马赫认为时间与空间的量度是与物质的运动分不开的，时空概念是通过经验形成的，是从比较两个事物的快慢中产生的。绝对时间无法根据比较运动来量度,无法与经验观测相联系,因此它既无实践价值,也无科学价值,是无用的形而上学概念;绝对空间概念也是纯粹的思维产物、纯粹的理智构造,不能从经验中产生,只不过是干巴巴的概念而已。他通过对牛顿旋转水桶实验的分析得出结论，在力学中具有意义的只是相对运动，绝对运动是毫无意义的。

马赫认为牛顿水桶中水面的形式，并不反映水桶是否相对于绝对空间有转动，而是反映水桶相对于地球和其它天体是否有转动。水面变凹，并不是由于绝对转动引起的，而是由于宇宙间各种物质对相对于它们转动的水桶的作用结果。无论是水桶相对于宇宙间物质进行转动，或者是宇宙间物质相对于水桶在转动，二者结果是一样的，因为水面都会同样地变凹。因此，水面变凹仅仅能证明水桶与宇宙间其它物质之间有相对转动，而不能证明绝时空间的存在。18

在世纪之交物理学革命的前夕和初期，马赫的批判性思想无疑对物理学的革命性变革起了启蒙作用和推动作用。从这种意义上讲，马赫在《力学》中对经典力学的批判可以说是物理学革命行将到来的先声。马赫坚不可摧的怀疑态度和独立性，对于力学先验论和机械自然观的系统批判，以及对经典力学基础的深遭洞察无一不给爱因斯坦以激励和启迪。爱因斯坦在《恩斯特·马赫》一文中说：“马赫曾经以其历史性的批判著作对我们这一代自然科学家起过巨大的影响”，“马赫卓越地表述了那些当时还没有成为物理学家公共财富的思想。”马赫思想的意义马赫思想的缺陷

他强调经验论，反对力学先验论和机械自然观。为了给各门学科谋求一个统一的基础，他选取了一条纯粹经验主义的路线，力图从科学中排除一切不能由经验证实的所谓“形而上学”的命题。这种哲学立场和科学观尽管在当时起到了积极的作用，没有认识到科学思想中本质上具有构造的和思辨的性质，因而不能完全适应相对论和量子沦发展的需要。19

物理学理论的正确与否，归根结底必须用实验来检验。理性的批判固然有助于动摇经典力学的基础，但要最终摧毁它，还需要一系列的实验事实。大量为旧理论所无法解释的实验事实，即所谓“反常现象”的涌现，才能最终导致旧理论的危机，促成新理论的诞生。

2.反常的实验结果201.1狭义相对论以前的力学和时空观伽利略变换描述物体的运动需要选择参考系，并在参考系中建立坐标系。事件：物体在某一时刻处于某一位置物体的运动对应事件的变动选择不同的参考系，对同一事件的描述是不同的。在狭义相对论中，只考虑两个相互作匀速直线运动的参考系S和S'事件的时空坐标21在两个相互作匀速直线运动的参考系S和S'中，事件的时空坐标之间有什么关系？时间的流逝在所有参考系中都相同经典力学认为空间的间隔在所有参考系中也是相同的这就是所谓的绝对时间和绝对空间时间的流逝和空间的度量与物体的运动没有任何关系22考虑两个相互作匀速直线运动的参考系S和S'，它们相应的坐标轴彼此平行，S'系相对S系的速度为v，沿x轴正方向。在t=t'=0时刻，两个参考系的坐标原点重合。伽利略变换23根据速度是坐标对时间的导数速度变换公式相对速度=绝对速度-牵连速度24

伽利略（1564—1642），伟大的意大利物理学家和天文学家，他开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系和数学表述形式的近代科学，被誉为“近代科学之父”。他第一个把望远镜对准天空进行观测，出版了《星空使者》一书。1632年，他出版了《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》，把哥白尼学说推到最终胜利的阶段。25伽利略相对性原理伽利略在1632年出版的著作《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》把你和几个朋友关在一条大船甲板下的主舱里，再让你们带几只苍蝇、蝴蝶和其它小飞虫。舱内放一只大水碗，里面放几条鱼。然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐儿里。船停着不动时，你留神观察，小虫都以等速向舱内各方向飞行，鱼向各个方向随便游动，水滴滴进下面的罐子中。你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向用更多的力，你双脚齐跳，无论向哪个方向跳过的距离都相等。当你仔细地观察这些事情后，再使船以任何速度前进。只要运动是匀速的，也不互左忽右地摆动，你将发现，所有上述现象丝毫没有变化，你也无法从其中任何一个现象来确定，船是在运动还是停着不动。26《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》

伽利略16322728爱因斯坦把伽利略表达的意思称为伽利略相对性原理在一个惯性系的内部所做的任何力学实验都不能确定这一惯性系本身是在静止状态还是在作匀速直线运动。一切惯性系对于描述运动的力学定律来说是完全等价的，不存在任何一个比其它惯性系更为优越的惯性系。一切惯性系中力学定律都相同几种不同的表述，说明的是同一个意思。29根据伽利略变换即两个惯性系中加速度相同。此外，经典力学认为不同惯性系中观测到的力和质量也都相同。在两个惯性系中力学运动基本定律都具有牛顿第二定律得形式在经典力学中牛顿第二定律、伽利略变换和伽利略相对性原理三者是自洽的伽利略相对性原理表明不可能用力学实验确定惯性系自身的运动不存在绝对静止的参考系，运动是相对的。30思考约900年前，我国史籍《宋会要》记载的一次超新星爆发(即著名的蟹状星云)：“嘉佑元年三月，司天监言，客星没，客去之兆也。初，至和元年五月晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”其大意是，负责观测天象的官员称，超新星最初出现于公元1054年(北宋至和元年)5月，位置在金牛星星(天关附近)，白天看起来如同金星(太白)，呈红白色，光芒四射，可见达23日。到1056年(嘉佑元年)3月，这位“客星”才隐没，历时22个月。从近代观点看来，超新星爆发，它的外围物质向四面八方飞散，有些爆发物向地球运动，有些向侧向运动。如果伽利略变换是正确的，则朝向地球运动的发光爆发物发出的光到达地球的时间是t=L/(c+u)，而侧向运动的发光爆发物发出的光到达地球的时间是tL/c，式中u是爆发物的速度，L是超新星与地球之间的距离。根据天文观测的资料，L=6300光年，u=1500km/s，容易算出t-t30年。这就是说，地球上至少在30年里都可以看到超新星爆发之时所产生的强光。然而历史记载明明白白的是白昼“凡见23日”，不到两年的时间里就看不见了。这就说明上面推算的依据即伽利略变换有问题。结论似乎应该是，光速与发光物体本身的速度无关，光速并不遵从伽利略速度变换公式。31假想实验若将一发光球以与光速c可相比拟的速度u抛出，则按照伽利略速度变换公式，球刚抛时(球速为零)发出的光速为c，抛出后球发出的光速应为(c+u)，于是，在远处(天文尺度)的接球者将先看到抛出的球，稍后才看到刚抛时的球，竟然后发先至，因果颠倒，显然荒谬之极。321.2电磁场理论建立后呈现的新局面提出的新问题1865年麦克斯韦建立了描述电磁现象的麦克斯韦方程组，它的一个重要推论是存在电磁波。真空中电磁波满足的波动方程为式中c是真空中的电磁波传播速度，电磁波沿各方向的传播速度都等于光速33从伽利略变换来看，电磁波的传播显然不满足相对性原理如果电磁波在某一惯性系S中沿各方向的传播速度为c，则在相对S系速度为的S'系中在方向上电磁波的传播速度为c-

，在-方向上电磁波的传播速度为c+

。在S系中电磁波传播速度各向同性，大小均为c；而所有相对S系运动的其它S'系中电磁波的传播速度不再各向同性S系可以被认为是绝对静止的，称为绝对惯性系，或叫做以太系其它惯性系相对它都是运动的，做绝对运动。34在光学的早期研究中，设想光波象机械波一样，需要在介质中传播这种介质称为以太(ether)，光波就是以太中振动的传播物理学家曾设想以太的一些性质它存在于真空中，又能够穿透任何透明物质，其密度一定很小光是横波，以太具有切变模量；光速很大，以太的切变模量很大在力学中无法探测和证实的绝对惯性系在电磁理论中又复活了摆在物理学家面前的课题用电磁学或光学的实验方法找出这一绝对惯性系，或测出我们的地球参考系相对绝对参考系(以太系)的速度有多大Luminiferousaether,aether,ether35菲涅耳的静态以太理论

他认为充满在宇宙中的以太是绝对静止的。这样，以太就成为了牛顿的绝对静止参考系的物质承担者。按照菲涅耳的拖引假设，当物体以速度相对于以太运动时，物体中的以太被曳引着走，它相对于静止以太的速度为

因为空气的折射率n=1，所以随着地球一起运动的空气，应不曳引以太，因此大气中的以太是静止的，不受地球运动的影响。这样对于地球上的观察者来说，将有以太风存在。以太之谜36

认为菲涅耳的理论建立在一切物体对以太都是透明的基础之上，因而是不能容许的。他于1845年提出，在地球表面，以太与地球有相同的速度，即地球完全曳引以太。只有在离开地球表面某一高度的地方，才可以认为以太是静止的。斯托克斯的运动以太理论

由于菲涅耳的静止以太说能圆满地解释光行差现象，因而人们普遍赞同它。

什么是光行差现象呢?光行差现象就是由于地球公转，恒星的表观位置在一年内会发生变化。如图所示，A点是地球,如果地球静止不动,则地球看到的太阳在S点,地球以速度在运行,则地球看到的太阳在N点,NS对A点的张角为φ,在天文学上称φ=arctg(/c)=20.496(角秒)为光行差常数。光行差现象是由于光速c和地球运行速度所造成的。37

在19世纪后半叶，探索以太风的存在，确定地球和以太的相对运动就成为物理学发展中一个突出的问题。人们做了一系列的光学和电学实验(即所谓的“以太漂移”实验)，企图度量地球通过以太的相对运动。但是，由于实验精度的限制，只能度量地球公转速度和光速之比的一阶量(1/104)，这些一阶实验一律给出否定的结果。

麦克斯韦指出，在地球上做测量光速的实验，因为光在同一路径往返，地球运动对以太的影响仅仅表现在二阶效应上。1879年，麦克斯韦在致美国航海历书事务所的信中就提出了度量太阳系相对以太运动速度的计划，当时在事务所工作的迈克耳逊采纳了这一建议。以太系以太风381.在实验室S系观察光从G1→M1：c–v顶风光从M1→G1：c+v顺风来回时间迈克尔孙-莫雷实验(Michelson-Morley)设地球相对以太系的速度为

，方向沿干涉仪的一臂G1M1或者说地球上的观察者感受到的以太风速向左为

。光在以太系中沿各方向的传播速度都是c在地球参考系中光沿各方向的传播速度不同以太风392.在以太系观察光从G1→M2：光从M2→G1：来回时间40两束光到望远镜的时间差展开41①②光的光程差3.将仪器旋转90，干涉仪的两条支路地位互换，滞后的时间差和光的光程差改变符合，结果引起干涉条纹移动干涉条纹移动数42实验中采用的数据大致如下：1881年德国波茨坦迈克耳孙干涉仪的实验精度没有观测到条纹的移动迈克耳逊—莫雷实验迈克耳孙干涉仪获得1907年Nobel钠黄光43在1887年迈克尔逊—莫雷的实验中，干涉仪的臂长为11米，取等于地球绕太阳的轨道速度30103米/秒，光波波长=5.910-7

米，干涉条纹移动数目应为4445

实验观测的结果出乎意外，发现至多只有0.01条条纹的移动。迈克耳逊和莫雷认为，如果地球和以太之间有相对运动，那么相对速度可能小于地球公转速度的1/60，肯定小于1/40。他们在实验报告中说：“似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。”迈克耳逊对这一实验结果感到十分失望，他称自己的实验是一次“失败”，以致放弃了在实验报告中许下的诺言(每五天进行六小时测量，连续重复三个月，以便消除所有的不确定性)，不愿再进行长期的观察，而把干涉仪用来于其他事去了。但是这并没有动摇他对以太说的信心。他试图用拖动假设来解释，认为地球运动时，地球表面的以太并不保持静止，而是随地球一起运动。因为这一解释与光行差现象有矛盾，所以不为世人所接受。迈克耳逊—莫雷实验的结果和影响

迈克耳逊—莫雷实验使当时的科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以太理论。如果他们不敢放弃以太，那末，他们必须放弃比“以太学”更古老的哥白尼的地动说。从当时的历史实际来说，人们对菲涅耳的理论是极为信赖的，因此不少人认为迈克耳孙-莫雷实验失败了，其理由是看不到预想的结果。总之，谁也没有据此而认定静止以太被否定了。1930年GeorgJoos用类似仪器测量得到地球相对以太系运动速度低于1.5km/s。现代用激光测量得到地球相对以太系的运动速度上限为15m/s。46迈克尔孙和莫雷以后进一步改进仪器，并在不同季节和地球上不同地方多次实验都得到相同的否定结果这似乎得出地球相对以太系的运动速度恒为零地球参考系就是绝对参考系，就是宇宙的中心伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间存在矛盾47迈克耳逊—莫雷实验似乎排除了菲涅耳的静止以太说，而静止以太说不仅为电磁理论所要求，而且也受到光行差现象和斐索实验的支持。为了摆脱这个恼人的困境，斐兹杰拉德和洛伦兹分别在1889年和1892年各自独立地提出了所谓的“收缩假设”来解释“以太漂移”实验的零结果。洛伦兹洛伦兹的“收缩假设”和变换理论48

洛伦兹认为，哥白尼学说是对的，地球不可能是宇宙的中心，不可能相对于绝对空间（以太）静止。光行差实验的结论也是对的，地球相对于以太运动，在以太中穿行。那么，迈克尔逊的干涉实验为什么测不出“以太漂移”速度呢？他认为，这是因为相对绝对空间运动的物体，会在运动方向上有一个收缩。如果收缩的因子是：

洛伦兹的“收缩假设”

那么t1中平行于运动方向的臂长l要乘以因子，那么：显然：49

为了从物质结构上来解释长度收缩的原因，洛伦兹认为这种收缩是由物体内部的分子力引起的。他假定分子力像电力和磁力一样通过以太而传递，平移很可能影响两个分子或两个原子之间的作用，其方式有点类似于荷电粒子之间的吸引与排斥。既然固体的形状和大小最终取决于分子作用的强度，因此物体大小的变化也就会存在。

所以，干涉条纹与系统相对于以太的运动速度无关，不论在何种情况下条纹永远不会移动。因而，迈克尔逊—莫雷实验的结论还有一种可能，那就是：以太存在，但该实验不能检验以太的存在；也就是说，以太不存在不是唯一的结论。50洛仑兹(H.A.Lorenzt)1853年7月生于荷兰。1870年考入莱顿大学，主攻数学、物理学和天文学，1875年12月获得博士学位，1877年被乌得勒支大学聘为数学教授，同年莱顿大学授予他荷兰唯一的理论物理学教授席位(24岁)。1912年洛仑兹辞去莱顿大学教授职务，去政府部门任高等教育部部长。他创立了电子论，首次把以太和普通物质分开，1895年提出著名的洛仑兹力公式。他将经典电磁场理论发展到了最后的高度，为相对论的诞生创造了条件。他因其电子论对塞曼效应进行了定量解释，与塞曼分享了1902年诺贝尔物理学奖。51

洛伦兹面对事实，抱定彻底解决而不是近似解决所有问题的决心，经过重新努力，终于在1904年5月完成了题为“速度小于光速系统中的电磁现象”的论文。他的目的是研究以匀速沿x轴方向运动的物理系统中所发生的电磁现象，以阐明该现象显示不出任何运动效应。他发现，利用原先的麦克斯韦方程和表达式在相对以太运动的参照系中处理问题是极为复杂的，为了避免不必要的麻烦，他作为一种数学技巧引入了新的变数—相对坐标和当地时间。在定义了新的电位移矢量和磁场强度矢量后，他又假定了电荷密度和速度之间的变换式。他把新变数代入原方程之中，得到了带撇变数的新方程，它与原方程具有几乎相同的形式。这就表明了地球运动对光学现象没有影响，说明在地球上所作的任何光学和电学的实验，不可能发现地球相对于以太的运动。洛伦兹时空变换式洛仑兹变换是在绝对时空观下用了11个假设推导出来的52①按照洛仑兹的长度收缩假说，物体的密度在不同的方向上会有所不同，这样光通过它时会产生双折射。1902年瑞利、1904年布雷斯先后进行了实验，未发现双折射现象。②根据洛仑兹理论，若电容器的极板与地球的运动方向成一夹角，当电容器充电时，其极板会受到一转动力偶矩的作用，1903年特劳顿和诺布尔作了实验，结果也是否定的。这些实验都是二阶效应，说明在二阶近似的条件下，也发现不了地球运动对电磁现象的影响，仅用“长度收缩”假说难以说明问题。长度收缩假说实验验证的失败：53

法国科学家彭加勒批评说：“如果为了解释迈克尔逊—莫雷实验的否定结果，需要引进新的假说，那么每当出现新的实验事实时，同样也发生这种需要。无疑的，对每一个新的实验结果创立一种假说这种做法是不自然的。”洛仑兹接受了这种批评，希望“能够利用某些基本假定，并且不用忽略这种数量级或那种数量级的量，来证明许多电磁作用都完全与系统的运动无关”。彭加勒的批判：

54彭加勒

彭加勒(J.H.Poincare，1854-1912)：法国数学家、物理学家和哲学家，1854年4月生于法国南锡，1871年进入巴黎工艺学院，毕业后又进入国立矿业学院学习。1879年获数学博士学位，同年任卡昂大学数学教师，1881年起任巴黎大学教授。1887年当选为巴黎科学院院士，1906年任该院院长，1908年当选为法国科学院院士。彭加勒仅活了五十八岁，但却发表了将近五百篇论文和三十多本专著。他还被认为是法国的散文大师，被选为法国文学研究院的成员。人们称他是“本世纪初唯一留下的全才”。55爱因斯坦的选择面对伽利略变换、相对性原理和麦克斯韦电磁理论三者之间的矛盾的三种选择：(1)相对性原理只适用于力学，不适用于电磁学(2)麦克斯韦电磁理论还不够完善(3)麦克斯韦电磁理论是正确的，相对性原理是适用于力学和电磁学的普遍原理，而伽利略变换必须抛弃。爱因斯坦坚信第三种选择，他领悟到伽利略变换中牛顿绝对时空观原来是头脑中的抽象推测，并没有实验事实的支持。马赫的思想：“凡不能由实验证实的概念和陈述都不应在物理学中占有任何地位。”爱因斯坦开始寻找与相对性原理和麦克斯韦电磁理论和谐一致的新的时空变换。麦--莫实验否定有绝对静止惯性系电磁理论应用广泛且精确56Einstein’sLifeandLegacy57

爱因斯坦是现代物理学的开创者和奠基人。爱因斯坦在物理学的许多领域都有贡献，比如研究毛细现象、阐明布朗运动、建立狭义相对论并推广为广义相对论、提出光的量子概念，并以量子理论完满地解释光电效应、辐射过程、固体比热，发展了量子统计。并于1921年获诺贝尔物理学奖。1879年3月14日生于德国的乌尔姆。1900年毕业于瑞士苏黎世联邦工业大学，毕业后即失业。在朋友的帮助下，才在瑞士联邦专利局(伯尔尼)找到工作。1905年获苏黎世大学博士学位。1909年任苏黎世大学理论物理学副教授，1911年任布拉格大学教授，两年后任德国威廉皇家物理研究所所长、柏林大学教授，当选为普鲁士科学院院士。1932年受希特勒迫害离开德国,1933年10月定居美国。1955年4月18日卒于美国的普林斯顿。58SpecialRelativity:History1879:

AlbertEinsteinborninUlm,Germany1901:

Workedat

Swisspatentoffice.Unabletoobtainanacademicposition.1905:

Published4famouspapers.Paperon

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(Nobelprize).Paperon

Brownianmotion.2paperson

SpecialRelativity.

Only26yearsoldatthetime!!1915:

GeneralTheoryofRelativitypublished.1933:

LeftNazi-occupiedGermany.SpentremainderoftimeatInstituteofAdvancedStudyinPrinceton,NJ.Attemptedtodevelopunifiedtheoryofgravityandelectromagnetism(unsuccessful).59爱因斯坦：机遇与眼光爱因斯坦极其幸运。他出生于一个合适的时代，当物理学面临重重危机的时候，他的创造力正处于巅峰，他有机会改写物理学的进程他有自牛顿时代以来的独一无二的机遇拉格朗日：“虽然牛顿确实是杰出的天才，但我们必须承认他也是最幸运的人：人类只有一次机会去建立世界的体系。”《自然哲学的数学原理》第三卷前言：“现在我要演示世界体系的结构”爱因斯坦有机会修正200多年前牛顿所创建的体系，这个机会当然也对同时代的科学家们开放。当时许多科学家对这个题目也极感兴趣60庞加勒(J.H.Poincaré,1854-1912)在1904年的演讲“新世纪的物理学”有这样一段：“根据相对原理，物理现象的规律应该是同样的，无论是对于固定不动的观察者，或是对于做匀速运动的观察者。这样我们不能够，也不可能，辨别我们是否正处于这样一个运动状态”关于相对性原理关于时空变换洛仑兹(H.A.Lorentz,1853-1928)在1915年写道：“我失败的主要原因是我死守一个观念：只有变量t才能作为真正的时间，而我的当地时间t'仅能作为辅助的数学量。”他写出了时空变换公式，可是他不敢讲这个t'就是一个运动的观察者的时间。26岁的爱因斯坦敢于质疑人类关于时间的