白城師范學(xué)院 物理系 佟 華

愛因斯坦狹義相對論的時空觀念

白城師范學(xué)院 物理系 佟 華

1905年，愛因斯坦發(fā)表了《論動體的電動力學(xué)》，在這篇論文中他提出了一種新的時空關(guān)系理論——狹義相對論，它顛覆了人類古老的時空觀念，改變了整個世界。

一、狹義相對論產(chǎn)生的背景

英國物理學(xué)家麥克斯韋創(chuàng)立的電磁學(xué)理論表明，光是一種電磁波，并且以不變速度運動。當(dāng)時牛頓理論已經(jīng)擺脫了絕對靜止的觀念，如果光是以不變速度傳播，那么人們必須說清楚這一不變的速度是相對哪種參照系來測量的。當(dāng)時人們認為光波通過無所不在的以太（Ether，占據(jù)天體空間的物質(zhì)）在傳播，固定的光速應(yīng)該相對于以太而言。那么根據(jù)伽利略速度變換，相對于以太運動的不同觀察者，應(yīng)該看到光以不同的相對速度沖他們而來。當(dāng)?shù)厍虼┻^以太繞太陽公轉(zhuǎn)時，在地球上，沿著以太運動的方向測量的光速（當(dāng)實驗者對光源運動時）應(yīng)該和運動垂直方向測量的光速（當(dāng)實驗者不對光源運動時）不同。1887年，邁克爾遜和莫雷進行了精確的實驗，他們將在地球運動方向以及垂直于此方向的光速進行比較，并未發(fā)現(xiàn)有任何干涉條紋移動，即他們發(fā)現(xiàn)這兩個光速完全一樣，在實驗誤差允許范圍內(nèi)沒有區(qū)別。

1887—1905年，人們試圖解釋麥克爾遜–莫雷實驗的結(jié)果，但均未獲得實質(zhì)上的成功。其后，瑞士專利局一位不知名的職員愛因斯坦，在不知道洛倫茲等人實驗的情況下，在相對性原理和光速不變原理的基礎(chǔ)上獨立導(dǎo)出了洛倫茲變換，并對這個變換作了全新的解釋。愛因斯坦指出，人們應(yīng)該拋棄絕對時間的觀念，整個以太的觀念是多余的，這就是著名的狹義相對論。

二、對狹義相對論時空觀念的理解和分析

1. 同時的相對性。愛因斯坦認為人們作出的所有與時間有關(guān)的判斷總是關(guān)于同時事件的判斷。比如，“那列火車7點到達此地”就是說“我的手表的時針指到7點”與“火車的到達是同時事件”。愛因斯坦認為，只有直接把兩個事件并列排在一起，才能明白無誤地解釋同時性。依照絕對時空觀念，宇宙任何地方的時鐘都是同時的。但是仔細思考后就會發(fā)現(xiàn)，只有當(dāng)存在一個在整個宇宙中任何地方都沒有任何延遲的時間信號，而且其傳播速度要大到能同時到達所有的時鐘的情況下，才有可能出現(xiàn)普遍的同時性。實際上，這樣的時鐘信號是不存在的。這是因為以電磁波形式存在的信號也不過是以光速在運動，這個速度在任何參照系中都一樣，而任何信號都不可能比光傳播得更快，更不可能以無限大的速度傳播。所以，同時性應(yīng)被定義為：如果兩個事物發(fā)出的光信號能同時到達位于這兩個事物正中間的觀察者，那么這兩個事物是同時的。但是這個過程對2座彼此相對靜止的時鐘而言是可行的，但對2座相對運動的時鐘而言則還有問題。愛因斯坦用“愛因斯坦火車”的假設(shè)解釋了這個問題。假設(shè)甲站在鐵路附近，一列火車從甲身邊駛過。當(dāng)甲處于距離車頭和車尾同等距離的那一刻，在兩處各發(fā)生了一次閃電。甲在同一時間看到了2次閃電，也就是說，光到達甲所處的位置用了相同的時間。甲會說：“閃電同時擊中車頭和車尾?！?設(shè)想在火車中間站著一個乙，他也正巧看到閃電。而此時乙正和火車一起繼續(xù)向前行駛，他與擊中火車頭的閃電光線相對而行，同時與擊中車尾的閃電光線距離拉開。因此，車頭閃電的光先于車尾閃電的光到達乙的位置。乙得出結(jié)論：“閃電并非同時擊中，車頭的閃電在前，車尾的閃電在后?！蹦敲淳烤拐l說得對呢？答案是：兩個人都是正確的。這個例子表明同時性的概念是相對的，它與觀察者的運動狀態(tài)有關(guān)系。但是在日常低于光速的生活中，就無法發(fā)現(xiàn)。

2. 愛因斯坦延緩。通過狹義相對論的洛倫茲坐標(biāo)變換，可以得到這樣的結(jié)論：在運動系統(tǒng)中時間走得比在相對靜止的系統(tǒng)中的時間慢，這種延緩被稱為愛因斯坦延緩，用公式表示為：

式（1）中，t′為觀察者在與其相對運動的慣性系中測得兩事件經(jīng)歷的時間；t為觀察者在與其相對靜止的慣性系中測得兩事件經(jīng)歷的時間；v為兩個慣性系之間的相對運動速度；c為光速，大小為3×108m/s。

一直以來，人們認為時間在任何條件下、任何地方都是均勻地流逝著，這種認識非常自然，符合“常理”。而狹義相對論卻指出，時間不存在唯一的標(biāo)準(zhǔn)，每一位觀察者、每個系統(tǒng)都有自己的時間，而且運動速度越快，時間就走得越慢，即時間并不是想當(dāng)然地在任何條件下、在任何地方都在均勻流逝。

根據(jù)愛因斯坦延緩，在一只接近光速快速運動的宇宙飛船上，所有過程都要慢一些，生物過程也不例外。μ介子實驗?zāi)軌蚍浅Ｇ宄刈C明，粒子的壽命可以減緩。μ介子產(chǎn)生于近30 km的高空并以近光速的速度向地球表面飛來。在一個半衰期之后，也就是百萬分之1.5 s后，它們飛出450 m，也就意味著幾乎所有的μ介子在到達地球之前都已衰變，因此在地球上應(yīng)該找不到μ介子。然而在地球表面卻還能發(fā)現(xiàn)它們的存在。這是因為μ介子速度接近于光速，根據(jù)愛因斯坦延緩公式，人們在地球上測得其壽命要更長些，所以在它衰變之前，能夠到達地球表面。

愛因斯坦延緩還包含了一個非常重要的知識：光速是物體速度的自然界限。大量的實驗告訴人們，光速壁壘問題還不可能打破。在實驗中，當(dāng)把粒子加速到光速的99.99%時，不管注入多少功率，都不可能把它們加速到超過光速壁壘。

3. 洛倫茲收縮。通過狹義相對論的洛倫茲坐標(biāo)變換，可以得知：在運動系統(tǒng)中所有的物體和距離在運動方向上都會短縮，短縮因子與時間變慢因子相同，這種收縮被稱為洛倫茲收縮，用公式表示為：

式（2）中，L′為觀察者在與其相對運動的慣性系中測得的固定尺的長度；L為觀察者在與其相對靜止的慣性系中測得的靜尺的長度。

洛倫茲收縮并非是尺的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，而是由于同時的相對性造成的。人們在日常生活中之所以看不到這種收縮，是因為接觸到的物體運動速度遠小于光速的原因。這種收縮既影響空洞的空間，也影響實際堅固的物體。