狭义相对论。科学发现的历史和本质

狭义相对论。科学发现的历史和本质

最重要的科学发现

1905 年，在德国科学期刊 Annalen der Physicist 上，一篇 30 页的短文出现在一位 XNUMX 岁的艾尔伯特爱因斯坦《论动体的电动力学》，其中几乎完全阐述了狭义相对论，很快让这位专利局的年轻专家名声大噪。同年，一篇文章“物体的惯性是否取决于它所包含的能量？”发表在同一期刊上，补充了第一篇。

狭义相对论并不是从零开始出现的，它源于解决运动物体的电动问题，自 XNUMX 世纪中叶以来，许多物理学家一直在研究这个问题。他们试图发现一种在其中传播电磁波的以太介质的存在。假设以太穿透所有物体，但不参与它们的运动。建立了各种发光以太模型，并提出了关于其性质的假设。似乎静止的以太可以作为绝对静止的参考系，相对于它牛顿考虑了物体的“真实”运动。

根据牛顿的观点，宇宙中有“正常的时钟”，可以从任何一点计算“绝对时间”的过程。此外，还有“绝对运动”，即“物体从一个绝对位置到另一个绝对位置的运动”。两百年来，牛顿的原理被认为是正确的、不可动摇的。没有物理学家质疑过他们。

恩斯特·马赫是第一个公开批评牛顿原理的人。他在实验物理系开始了他的科学生涯，并在奥地利拥有自己的实验室。马赫进行了声波实验并研究了惯性现象。马赫试图驳斥“绝对空间”、“绝对运动”、“绝对时间”等概念。爱因斯坦熟悉马赫的工作，这个熟人在他的相对论工作中发挥了重要作用。

在实验物理学中，牛顿的教条也受到质疑。地球绕太阳运行。反过来，太阳系在世界空间中飞行。因此，如果光以太静止在“绝对空间”中并且天体通过它，那么它们相对于以太的运动应该会引起明显的“空灵风”，可以使用敏感的光学仪器检测到。

1881 年，美国人阿尔伯特·迈克尔逊根据 12 年前提出的想法进行了一项检测“空灵风”的实验。麦克斯韦. 迈克尔逊推理如下：如果地球在一个绝对不动的以太中移动，那么从地球表面发射的一束光，在一定条件下，会被吹向运动的“空灵风”带回。地球。 “空灵风”应该只是由于地球相对于以太的位移而产生。

第一个实验装置是由 Michelson 在柏林建造和测试的，所有仪器都安装在一块石板上，并且可以作为一个整体旋转。然后实验被转移到美国并在迈克尔逊的密友和合作者爱德华莫利的参与下进行。科学家们创造了一种镜面干涉仪，它甚至可以记录最微弱的“以太风”。在 1881 年和 1887 年进行的所有实验的结果都否定了任何“空灵风”的存在。迈克尔逊的实验仍然可以被认为是物理学史上最著名和最杰出的实验之一。根据爱因斯坦本人的说法，他对相对论的诞生具有重要意义。

但并不是所有的物理学家都同意以太不存在，牛顿的原理不仅应该受到质疑，而且应该永远被抛弃。荷兰物理学家亨德里克·洛伦兹 1895 年，他试图“拯救”以太。他建议快速移动的物体会经历收缩。甚至在洛伦兹之前，1891 年，爱尔兰物理学家乔治·菲茨杰拉德也提出了类似的建议，但洛伦兹并不知道。洛伦兹和菲茨杰拉德写道，所有“在以太压力下”的物体都会变平、变短。所有设备所在的盘子和设备本身都被缩短了。地球和其表面的人都被缩短了，所有这些缩短和变平的幅度等于平衡“空灵风”效应的幅度。科学家们还对“空灵风”的传播时间进行了修正。这些想法只是猜测，几乎没有支持。

1904 年秋天，亨利庞加莱也试图“拯救”绝对静止的以太。他试图以一种或多或少连贯的理论的形式来表述洛伦兹的计算，但这种“理论”只是一种形式。最伟大的头脑悲痛欲绝，似乎没有办法摆脱这种情况。但出路是阿尔伯特·爱因斯坦找到的，他让物理学走出了僵局，并把它引向了一个新的方向。

爱因斯坦还在阿劳上学时，经常进行一个思想实验：一个人可以看到以光速在光波后面移动的东西。正是这个问题成为了对后来被称为相对论的思考的开始。

关于他推理的开始，爱因斯坦写道：“有必要清楚地了解某些事件的空间坐标和时间在物理学中意味着什么。” 爱因斯坦从探索同时性的概念开始。因此，牛顿力学断言，原则上，可以以无限的速度传播相互作用（即信号、信息的传输）。而且根据爱因斯坦的理论，光速，即信号传输的最大速度，仍然是有限的，而且对于所有观察者来说，其值都是相同的，即每秒三十万公里。因此，“绝对同时性”的概念没有任何物理意义，不能适用。爱因斯坦得出的结论是空间分离事件的同时性是相对的。同时性相对性的原因是信号传播速度的有限性。诚然，我们无法清楚地想象这一点，因为光速远大于我们移动的速度。

如果“绝对同时性”是不可能的，那么“绝对时间”就不可能存在，这在所有参照系中都是一样的。 “绝对时间”的概念以既定的速度一劳永逸地流动，完全独立于物质及其运动，结果证明是错误的。

每个参考系都有自己的“本地时间”。爱因斯坦的时间学说是科学的一个全新的步骤。 “绝对时间”被抛弃了，由于时间和运动密切相关，因此有必要取消牛顿的“绝对运动”概念。这就是爱因斯坦所做的。

爱因斯坦理论的第一个也是主要的假设——相对性原理——指出，在所有相对于彼此一致且直线运动的参考系中，同样的自然法则在起作用。因此，经典力学的相对性原理被外推到自然界的所有过程，包括电磁过程。如果需要从一个参考系过渡到另一个参考系，则必须使用洛伦兹变换。爱因斯坦将这些方程式命名为对他前任工作的深深尊重的标志。爱因斯坦在他的相对论中用电磁场代替了光以太。许多科学家对这样的转变反应非常痛苦，他们无法接受以太不存在的事实。就连伟大的荷兰人洛伦兹也相信以太的存在，直到他去世。

爱因斯坦的第二个假设指出，真空中的光速对于所有惯性参照系都是相同的。它不依赖于光源的速度或光信号接收器的速度。光速是自然界中发生的所有过程的上限。光速是极限速度，自然界中任何过程的速度都不可能超过光速。

两个著名的悖论或后果来自光速的恒定性：距离的相对性和时间间隔的相对性。

距离的相对性在于距离不是绝对值，而是取决于物体相对于给定参考系的速度。与静止物体的长度相比，快速运动物体的尺寸减小了。当物体的速度接近光速时，它的尺寸将接近于零！洛伦兹在迈克尔逊的实验中试图“拯救”以太时也表达了类似的观点。

时间间隔的相对性在于，与静止参考系中的时钟相比，相对于第一个参考系中的时钟减慢快速移动的帧中的时钟速率。

上述效应被物理学家称为相对论，即它们以接近光速的速度被观察到。

如果我们真的试图将物质体加速到接近光速的速度会发生什么？

相对论根据现在著名的公式断言质量和能量的等价性，可以用如下语言表达：“能量等于质量乘以光速的平方”。

最初，身体能量的增加伴随着质量的微妙增加，因此，身体的惯性也随之增加。因此，进一步加速变得有点困难。随着速度接近光速，这种效果越来越令人印象深刻，让人无法超越光速。

爱因斯坦的公式在 XNUMX 年代后期在铀裂变反应中得到了出色的证实。与此同时，总质量的千分之一消失了，以便以原子能的形式再次充分显现。即使在普通的化学反应中，也可以观察到爱因斯坦比，但在反应过程中出现或消失的物质的数量不到总质量的十亿分之一，因此即使使用非常精确的天平也无法检测到它们。

需要强调的是，狭义相对论考虑匀速运动，即匀速运动，运动方向不变。如果由于外力（例如万有引力）导致运动发生加速度，那么狭义相对论就不能再适用了。

爱因斯坦发现并引入物理学的东西是真正的革命性的，因此很少有物理学家立即意识到狭义相对论是一个辉煌的发现。明白的人中有马克斯普朗克，他写道：“爱因斯坦的时间概念大胆地超越了迄今为止在思辨自然科学甚至哲学知识论中创造的一切。”

1908 年，在苏黎世理工学院教授爱因斯坦的德国数学家赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）为狭义相对论创造了一种数学装置。在 21 年 1908 月 XNUMX 日德国博物学家和物理学家大会上的著名演讲中，明可夫斯基说：“在你在实验物理学的土壤上成长之前，我将要发展的空间和时间概念。这是他们的力量。它们会导致根本性的后果，从今以后空间本身和时间本身完全消失在阴影的领域，只有这两种概念的一种结合，才能保持独立的存在。

从此，“闵可夫斯基世界”成为狭义相对论不可分割的一部分。

爱因斯坦曾对詹姆斯·弗兰克说：“我到底为什么要创造相对论？当我问自己这个问题时，我觉得原因如下。一个正常的成年人不会去思考时空问题。”据他说，这个问题他小时候就已经想过了，我的智力发育太慢了，长大后，空间和时间占据了我的思想，自然比正常倾向的孩子更能深入到这个问题上。 " 爱因斯坦没有“成人”的信心，认为世界的全球性问题已经得到解决。这种感觉并没有被特殊知识和兴趣的积累所压制。他思考了运动的概念，又回到了人类童年时代固有的观念——回到古老的相对论思想，后来被以太作为绝对参照体的概念所掩盖。当以太的概念被抛弃时，爱因斯坦得出结论，运动不可能是绝对的。

作者：萨明 D.K.

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