狭义相对论

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  狭义相对论汉语拼音:Xiayi Xiangduilun;英语:Special Relativity),A.爱因斯坦在1905年发表的题为《论动体的电动力学》一文中提出的新的平直时空理论。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。狭义相对论预言了牛顿经典物理学所没有的一些新效应(相对论效应),如时间膨胀、长度收缩、横向多普勒效应、质速关系、质能关系等,它们已经获得大量实验的直接证明。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。

诞生的历史背景

  1905年以前已经发现一些电磁现象与经典物理概念相抵触,它们是:

  1. 迈克耳孙-莫雷实验没有观测到地球相对于以太的运动。
  2. 运动物体的电磁感应现象表现出相对性——是磁体运动还是导体运动其效果一样。
  3. 电子电荷与惯性质量之比(荷质比)随电子运动速度的增加而变大。

  此外,电磁规律(麦克斯韦方程组)在伽利略变换下不是不变的,即是说电磁定律不满足牛顿力学中的伽利略相对性原理。修改和发展牛顿理论使之能够圆满解释上述新现象成为19世纪末、20世纪初的当务之急。以H.A.洛伦兹为代表的许多物理学家在牛顿力学的框架内通过引入各种假设来对牛顿理论进行修补,最后引导出了许多新的与实验结果相符合的方程式,如时间变慢和长度收缩假说、质速关系式和质能关系式,甚至得到了洛伦兹变换。所有这些公式中全都包含了真空光速。如果只为解释已有的新现象,上述这些公式已经足够,但这些公式分别来自不同的假说或不同的模型而不是共同出自同一个物理理论。而且,使用牛顿绝对时空观来对洛伦兹变换以及所含的真空光速进行解释时却遇到了概念上的困难。这种不协调的状况预示着旧的物理观念即将向新的物理观念的转变。爱因斯坦洞察到解决这种不协调状况的关键是同时性的定义,而牛顿时空理论(或伽利略变换)中的时间没有办法在现实世界中实现。为使用光信号对钟,爱因斯坦假定了单向光速是个常数且与光源的运动无关(光速不变原理)。此外,他又把伽利略相对性原理直接推广为狭义相对性原理,由此得到了洛伦兹变换,继而建立了狭义相对论。

狭义相对性原理

  一切物理定律(力学定律、电磁学定律以及其他相互作用的动力学定律)在所有惯性系中均有效;或者说,一切物理定律的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变。不同年代和季节进行的实验给出了同样的物理定律,这正是相对性原理的实验基础。

  • 爱因斯坦速度相加定理
  • 坐标时和固有时
  • 时间膨胀
  • 多普勒效应
  • 长度收缩

相对论力学

  按照狭义相对性原理,力学定律在洛伦兹变换下保持形式不变。

  荷电粒子的电磁偏转实验、回旋加速器的运转、高速粒子飞行时间的测量、原子光谱精细结构分裂的解释等都为质速关系提供了证据。原子能发电、原子弹和氢弹的实现都以质能关系为理论基础。

  • 极限速度 由质能关系和质速关系可知,如果静质量不为零的物体以光速c运动,则它的能量为无穷大。也就是说,把这样的物体加速到光速需要做的功为无穷大,但这是不可能的。因此,通常物体的速度只能接近而不可能达到真空光速,即光速c是物质的极限速度。
  • 光子的静质量 光子在真空中的速度永远是c,如果把它当成经典粒子,则由质速关系可知其静质量必须是零;而且,一切以光速c运动的物质其静质量也必定是零。在现实世界,通过大量的光学和电磁学的高精度实验和分析,仍没有发现光子有静质量存在。

超光速与因果律

  按照狭义相对论,静质量为正实数的通常物质其运动速度一定小于光速c,这类物质称为亚光速物质(或亚光速粒子),它们的全体称为亚光速世界。狭义相对论也允许超光速世界的存在,其中所有物质的速度都超过光速c,这类物质(或粒子)称为快子,其静质量是虚数(其平方小于零)。物理学家曾经设计过许多实验,但都没有发现快子的踪迹。如果在亚光速世界里能够出现快子,就会有违反因果律的现象发生:考虑在某一给定惯性系中的第一点发生了第一个物理事件,同时有一个超光速信号把这个信息传送到第二点而触发了第二个事件,我们说这两个事件具有因果联系且满足因果律:“原因”(第一个事件)在“结果”(第二个事件)之前发生。但按照洛伦兹变换,总能找到另外一些惯性系,在这些惯性系中“结果”(第二个事件)是在“原因”(第一个事件)之前出现的。因此,在狭义相对论中因果律排除了超光速信号的存在。