狭义相对论与以太

欧洲核子研究中心(CERN)的著名物理学家J.Bell说的一句话：“……有许多问题，通过设想存在以太可容易地解决.”

相对论的建立来源于经典物理内部力学图景和电磁图景的冲突：在本体论上表现为粒子纲领与场论纲领的冲突，在方法论上体现为在惯性系变换中，麦克斯韦方程与伽利略相对性原理不协调.这种冲突集中体现在对所谓“以太”的理解上.洛伦兹电子理论保持了物理学基础中实物和以太的二元论，将以太视为类似于绝对空间的参照系，麦克斯韦方程只对常驻“以太”参照系才成立.如果确实如此，那么在相对“以太”参照系运动的实验参照系（比方说：地球），光沿不同方向就应以不同的速度传播.为了测出地球相对以太参照系的运动，实验精度必须达到很高的量级.到19世纪80年代，迈克耳孙和莫雷所作的实验第一次达到了这个精度，但得到的结果仍然是否定的，即地球相对以太不运动.此后其他的一些实验亦得到同样的结果，于是以太进一步失去了作为绝对参照系的性质.这一结果使得相对性原理得到普遍承认，并被推广到整个物理学领域.可是，所有的检验“以太风”的实验都无一例外地否定了上述推断，其中最有名的是迈克尔逊—莫雷实验，证明了相对于任何惯性系，光沿不同方向以相同的速度传播，这显然是对以太假说的沉重打击.这是导致经典物理发生严重危机的经验问题，它与黑体辐射问题一起，被开尔文称为是“悬浮在热和光动力理论上空的十九世纪的乌云”.我国著名相对论物理学家胡宁（中国科学院理论物理研究所研究员、北京大学教授，中国科学院院士）在一篇纪念爱因斯坦诞辰一百周年的文章中写到：“迈克尔孙设计了测量地面在以太中的运动速度的实验，实验结果发现这个速度完全测不到，后来洛伦兹和斐兹杰惹根据以太论说明了为什么测量不出地面相对以太的速度.原因很简单：当仪器相对以太运动时，由于电磁作用的改变，沿着运动方向上的长度收缩了，长度的缩短恰好使得仪器相对于以太得速度不可能在干涉仪上显示出来.如果一个人真正理解了以太模型下的电磁规律，他就不会建议用迈克尔孙干涉仪来测量地面相对于以太的速度.总之，在迈克尔逊实验结果和以太模型之间没有出现任何矛盾.”胡宁在《狭义相对论实验基础》一书的序言中也指出：“初次学习狭义相对论的人，往往误认为迈克尔逊实验或“真空光速不变性”是狭义相对论的实验基础.但是，在相对论出现以前，斐兹杰惹和索末菲已经在以太论的基础上对迈克尔逊实验的结果给出了解释.因此，迈克尔逊实验的零结果既可以用以太论来解释，也可以用相对论来解释，也就是说，它既不否定真空光速不变，也不肯定真空光速不变.所以，企图用迈克尔逊类型的实验来进一步更准确地验证真空光速不变将是没有意义的.（摘自张元仲《狭义相对论实验基础》北京：科学出版社，1979）洛伦兹为了在承认光速与参照系无关的条件下，拯救以太假设，便抛弃了空间间隔和时间间隔与参照系无关的绝对观念.在他看来，常驻以太参照系是基本参照系，在这个参照系中，时间是均匀流逝的，空间是均匀的，各向同性的.任何实际参照系都相对于这个基本参照系运动着.它们具有下列性质：空间沿该参照系运动方向收缩，时钟速率变慢，具体变化公式就是引入收缩假设和地方时间概念：l=l0(1-v2/c2)1/2，T=T0/(1-v2/c2)1/2，式中c为光速，v为运动参照系的速度；l0和l为沿实用参照系运动方向放置的尺分别在以太参照系和实用参照系中所测得的长度；T0与T为这两个参照系中分别测得的某两个事件之间的时间间隔.根据上面两式，可以导出任一事件在这两个参照系中的时空坐标之间的变换公式——洛伦兹变换.这个结论与光速同参照系无关的实验结果相一致.如果要求质点力学定律相对于洛伦兹变换也不变，则牛顿动力学方程就非加以修改不可，这就是后来爱因斯坦从一个全新的观念出发完成的工作.洛伦兹以太论可以解释所有可观察的实验事实，这一点爱因斯坦也是一直承认和肯定的.爱因斯坦在《狭义与广义相对论浅说》一书中写道：“对于所有这些事实和实验的结果，除了迈克尔逊——莫雷实验以外，洛伦兹根据下述假定都作出了解释.这个假定就是以太不参与与有重物体的运动，以太各个部分相互之间完全没有相对运动.这样以太看来好像就体现一个绝对静止的空间.但是洛伦兹的研究工作还取得了更多的成就.洛伦兹证明了，迈克尔逊——莫雷实验所取得的结果至少与以太处于静止状态的学说不矛盾.”（摘自爱因斯坦《狭义与广义相对论浅说》上海科学技术出版社[M]，1964.114）.但是，在洛伦兹理论中，以太除了荷载电磁振动之外，不再有任何其他的运动和变化，这样它几乎已退化为某种抽象的标志.除了作为光波的荷载物和绝对参照系，它已失去了所有其他具体生动的物理性质，这就又为它的衰落创造了条件.

菲兹杰惹几乎与洛伦兹一起从迈克尔逊–莫雷实验中提出了收缩假说，彭加勒则从同一个实验中得出相对性原理：我们没有任何方法区分静止还是匀速运动.新的相对性原理从根本上取消以太风，以及发现地球相对于以太的绝对速度的可能性.彭加勒在1898年《时间的测量》一文中，首先提出了光速在真空中不变的假设，认为这个公设从来也不能直接用经验来验证，它在利用光信号来定时的过程中具有约定的性质.到1905年，彭加勒详细讨论了利用光信号使异地时钟同步的问题，认为时间概念应该用测量来定义.这位相对论的先驱者，还预言了与以上两个原理协调一致的新力学的世界图像：光速成为不可逾越的极限速率；惯性随速度增加；原来的力学作为一级近似包容在新力学中，等等.彭加勒在物理学危机面前，致力于建立与洛伦兹电子论一致的理论.在对相对论的贡献上，提出普遍原理的是彭加勒，提供数学表达式的却是洛伦兹.但彭加勒与洛伦兹一样承认存在以太和以太参照系，认为与洛伦兹理论一致的以太假说将对相对性原理与真空光速不变原理给出进一步的解释.

洛伦兹等人拯救“以太”的方案生动地告诉人们，一个行将崩溃的原理或假说，可以怎样通过引入保护性的补充假说而保存下来.事实上，迄今为止，它还没有被任何实验证伪.然而，洛伦兹的方案中却包含着“真实”的长度，时间间隔与速度这样一些基本物理量，可是，这些基本力学量却是不可测量的.这就使人们怀疑洛伦兹以太论的真正价值.

二十世纪初，爱因斯坦面对所有一切探测“以太风”的实验都失败的事实，认为“引入光以太”本来就是“多余的”，这样空间就又回到了一无所有的“空虚”状态.可是这样的认定在当时就不能自圆其说.面对空间能够传播光波的事实，爱因斯坦又认为空间“具有一种发送光波的性能”，是“物理空间”；以太论的消失始于爱因斯坦的相对论于1905年发表之后.“相对论假设一经引入，把以太看作实物的概念就要从物理理论中排除出去.”“当光的电磁理论取代了光的固体弹性理论以后，以太这一机械的概念实际上已变成多余的障碍物了.”在爱因斯坦看来，以太假设完全是多余的，人们只要从两条对物理过程与定律进行限制的限定性原理出发，就可以实现力学与电磁学概念体系的统一，这就是：（1）真空光速不变原理；（2）物理学定律与惯性系的选择无关.第一条原理跟洛伦兹的出发点是一样的，第二条原理就是狭义相对性原理，它取代了洛伦兹的以太假设.爱因斯坦摒弃这一假设，不只是由于以太的不可观测性，主要是由于他早年的物理经验，培植了他的一种直觉观念，即电磁学定律独立于具体的惯性系.当他年仅十六岁时，就思考过这样的问题：如果一个观察者，以光速追逐一列光，他会看到何种情况呢？对这个问题的回答，似乎是：这列光看起来就像是空间固定振荡的电磁场.但是，不论从实验观察，还是从麦克斯韦理论，似乎都不会得出这一结论.对这一佯谬的长期斟酌，最后，爱因斯坦确信：一束光，在追逐的观察者看来和相对于地球静止的观察者看来是一样的.于是，在他看来，狭义相对性原理勿庸置疑.现在的问题是：在牛顿时空框架里，真空光速不变性与狭义相对性原理是互不相容的.然而，如果把任意两个惯性系之间坐标变换由伽利略变换形式，换成洛伦兹变换形式；同时，对牛顿力学进行改造，使得改造后的动力学定律相对于洛伦兹变换保持不变.那么，这两条原理就相容了.这样，狭义相对性原理就可以表述为：一切物理学定律相对于洛伦兹变换保持不变.爱因斯坦曾经讲过：“在我看来，洛伦兹关于静态以太的基本假定是不能完全令人信服的，因为它所得出的对于迈克尔逊-莫雷实验的解释，我觉得是不自然的.”

狭义相对论不同于洛伦兹—彭加勒理论的关键是：

（1）承认“同时性”，“长度”，“时间间隔”等的操作性质，并且考虑到物理信号传播的有限性，在此基础上使“同时性”等概念相对化.同时性的相对化是指：在一个惯性系中处于不同空间位置同时发生的两个事件，在另一个惯性系看来是不同时发生的两个事件.这是对常识和经典物理的同时性观念的彻底革命，在爱因斯坦以前没有一位科学家和哲学家认识到同时性的相对性，尽管在神话和传说中已经有天上人间时间流逝不同的推测，在洛伦兹和彭加勒的理论中也出现了不同参照系时间流逝不同的科学论断.爱因斯坦理论中尺度和时间单位在不同惯性系中的变化，不再涉及有关物质结构和以太运动关系的特殊假说，而被视为洛仑兹坐标变换的内在要求；力学和电动力学是平权一致的，不存在何者优先的问题；以太被视为无用的假说，即使引入到理论中，也不过是与物质运动分布有关的时空度规的另一种说法，代表真空不是虚空而已，不能赋予它类似质点运动的机械或电磁属性. 　　（2）引入闵可夫斯基四维时空的新表述，将时间处理为与三个空间坐标垂直的第四维，四维时空间隔定义为ds²=c²dt²–dx²–dy²–dz²，这是在各惯性系中不变的量；还出现了其他与四维时空间隔有关的相对论不变量，空间与时间，动量与能量，电场与磁场等形成了有机的统一体，并且推导出物体总能量E与质量m的关系式E=mc².这代表着相对论引入了新的自然秩序理想，闵氏时空表述是狭义相对论中类似欧几里德几何的先验自然几何和数学理想，是狭义相对论中最基本的图像推理模型.当然，在彭加勒和爱因斯坦看来，闵氏时空的先验结构不是真正先验的，而是与真空光速不变原理有关的操作约定的结果.

爱因斯坦反对把相对论教条化为某种封闭的体系，认为相对论不过是某种启发性原理，它本身不过是关于固体，时钟和光信号的陈述.人们接受了电磁场本身就是物质存在的一种形式的概念，而场可以在真空中以波的形式传播.量子力学的建立更加强了这种观点，因为人们发现，物质的原子以及组成它们的电子、质子和中子等粒子的运动也具有波的属性.波动性已成为物质运动的基本属性的一个方面，那种仅仅把波动理解为某种媒介物质的力学振动的狭隘观点已完全被冲破.

 

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