狭义相对论的建立过程中蕴含的科学精神

周桃（上海电力大学数理学院）

摘要：将思政教育融入高校课程教学中教学的理念，正逐步得到大家的认同。本文以狭义相对论为例，引导学生从狭义相对建立过程中体验“怀疑—证据—创新”的科学研究方法，培养良好的科学精神。

狭义相对论（Special Theory of Relativity）是伟大的天才物理学家阿尔伯特-爱因斯坦在1905年发表的题为 《论动体的电动力学》一文中提出的区别于牛顿时空观的新的平直时空理论。“狭义”表示它只适用于惯性参考系。这个理论的出发点是两条基本假设：狭义相对性原理和光速不变原理。理论的核心方程式是洛伦兹变换（即惯性系坐标变换）。狭义相对论已经成为现代物理理论的基础之一：一切微观物理理论（如基本粒子理论）和宏观引力理论（如广义相对论）都满足狭义相对论的要求。这些相对论性的动力学理论已经被许多高精度实验所证实。相对论与量子力学被誉为20世纪最伟大的发现，也是真个近代物理的基础。下面我来重温狭义相对论的建立过程，并体会在它创立过程中所蕴含科学精神。

狭义相对论是在光学和电动力学实验同经典物理学理论相“矛盾”的激励下产生的。1905年以前已经发现一些电磁现象与经典物理概念相“抵触”，特别是：迈克耳孙－莫雷实验没有观测到地球相对于以太的运动，同经典物理学理论的“绝对时空”和“以太”概念产生矛盾。

光源S经半反射半透射镜分成两条光纤，两光线间存在光程差, 出现干涉条纹。将装置转动90度,干涉条纹应移动(预计0.37条)。反复实验,“零结果”。任何光速测定都离不开光源这一基点，迈克耳逊以太风实验说明：地球上沿各个方向的光从光源发出时都有相同速度，它与地球的运动状态无关；同时也否定了以太的存在，间接证明了光的粒子性。这个实验还有一个特别重要意义，那就是它揭示了伽利略坐标变换存在局限性，暴露了伽利略坐标变换存在严重缺失，即它不适于描述发光体发出的光子运动速度合成问题而速度又是物理学中至关重要的物理参量，它的大小确定与参照系选择有直接关系；爱因斯坦相对论的本质就是建立在相对性速度合成理论上的，因此，他提出的二条公设也都是关于速度（合成）问题参照系选择与速度合成问题是狭义相对论建立与讨论的起点，也是重点；爱因斯坦通过光速不变假设，将洛伦兹变换纳入了他的速度合成体系，但纵观相对论就会发现，爱因斯坦所建立的速度合成体系是混乱的，他由此推出的所谓空间收缩，时间变慢等都是这一混乱体系造成的；他的理论不是对物质运动物理机制的描述，而是在运用数学推理来编制物质运动规律。

洛伦兹变换出现的起因是，19世纪后期建立了麦克斯韦方程组，标志着经典电动力学取得了巨大成功。然而麦克斯韦方程组在经典力学的伽利略变换下并不是协变的。由麦克斯韦方程组可以得到电磁波的波动方程，由波动方程解出真空中的光速是一个常数。按照经典力学的时空观，这个结论应当只在某个特定的惯性参照系中成立，这个参照系就是以太。其它参照系中测量到的光速是以太中光速与观察者所在参照系相对以太参照系的速度的矢量叠加。然而1887年的迈克耳孙-莫雷实验测量不到地球相对于以太参照系的运动速度。1904年，洛伦兹提出了洛伦兹变换用于解释迈克耳孙-莫雷实验的结果。根据他的设想，观察者相对于以太以一定速度运动时，以太（即空间介质）长度在运动方向上发生收缩，抵消了不同方向上的光速差异，这样就解释了迈克耳孙-莫雷实验的零结果。可见，洛伦兹的速度合成律是为了解决迈克耳孙-莫雷实验零结果问题而提出的一种数学游戏，但爱因斯坦确坚信这种结果。

洛伦兹变换是观测者在不同惯性参照系之间对物理量进行测量时所进行的转换关系，它强调的是以a参照系为标准衡量b参照系会有什么变换，再以b参照系为标准衡量a参照系又会怎样变换，然后组成一个变换方程组，它实质上是用二个标准来衡量一种运动。伽利略变换则不同，它是用a参照系为标准来衡量b参照系的变化，从而将b参照系转换成a参照系，他实质是在遵循一个标准来衡量一种运动。

1905年爱因斯坦发表了狭义相对论的奠基性论文《论运动物体的电动力学》。关于狭义相对论的基本原理，他写道：“下面的考虑是以相对性原理和光速不变原理为依据的，这两条原理我们规定如下：

相对性原理：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用两个在互相匀速移动着的坐标系中的哪一个并无关系。

光速不变原理：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。

人们常认为，爱因斯坦瓦解了牛顿时空观；但我们或许没有思考过，牛顿时空观、伽利略变换与爱因斯坦时空观、洛伦兹变换出现不同的根本原因是在于参照系选择与运用不同所引起的速度合成律不同而出现的差异结论。爱因斯坦这种对敏锐的科学洞察力和敢于怀疑的精神，并进行探究是科学精神是我们每位同学都应该学习的。

下面引入爱因斯坦的演进，体会下他创立狭义相对论的心路历程。

爱因斯坦于1922年12月有4日，在日本京都大学作的题为《我是怎样创立相对论的？》的演讲中，说明了他关于相对论想法的产生和发展过程。他说：“关于我是怎样建立相对论概念这个问题，不太好讲。我的思想曾受到那么多神秘而复杂的事物的启发，每种思想的影响，在生活幸福论概念的发展过程中的不同阶段都不一样……我第一次产生发展相对论的念头是在17年前，我说不准这个想法来自何处，但是我肯定，它包含在运动物体光学性质问题中，光通过以太海洋传播，地球在以太中运动，换句话说，即以太对地球运动。我试图在物理文献中寻找以太流动的明显的实验证据，但是没有成功。随后，我想亲自证明以太相对地球的运动，或者说证明地球的运动。当我首次想到这个问题的时候，我不怀疑以太的存在或者地球通过以太的运动。”于是，他设想了一个使用两个热电偶进行的实验：设置一些反光镜，以使从单个光源发出的光在两个不同的方向被反射，一束光平行于地球的运动方向且同向，另一束光逆向而行。如果想象在两个反射光束间的能量差的话，就能用两个热电偶测出产生的热量差。虽然这个实验的想法与迈克尔逊实验非常相似，但是他没有得出结果。爱因斯坦说：他最初考虑这个问题时，正是学生时代，当时他已经知道了迈克尔逊实验的奇妙结果，他很快就得出结论：如果相信迈克尔逊的零结果，那么关于地球相对以太运动的想法就是错误的。他说道：“这是引导我走向狭义相对论的第一条途径。自那以后，我开始相信，虽然地球围绕太阳转动，但是，地球运动不可能通过任何光学实验探测出来。”爱因斯坦有机会读了洛伦兹在1895年发表的论文，他讨论并完满解决了u/c的高次项（u为运动物体的速度，c为光速）。然后爱因斯坦试图假定洛伦兹电子方程在真空参照系中有效，也应该在运动物体的参照系中有效，去讲座菲索实验。在那时，爱因斯坦坚信，麦克斯韦－洛伦兹的电动力学方程是正确的。进而这些议程在运动物体参照系中有效的假设导致了光速不变的概念。然而这与经典力学中速度相加原理相违背。为什么这两个概念互相矛盾。爱因斯坦为了解释它，花了差不多一年的时间试图去修改洛伦兹理论。一个偶然的机会。他在一个朋友的帮助下解决了这一问题。爱因斯坦去问他并交谈讨论了这个困难问题的各个方面，突然爱因斯坦找到了解决所有的困难的办法。他说：“我在五周时间里完成了狭义相对论原理。”

狭义相对论的建立过程以及爱因斯坦自己的演讲中都折射出一种非常重要的科学精神“怀疑—证据—创新”。