重温狭义相对论的建立
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-20
在 1801 年,托马斯・杨进行了一项简单的双缝实验,该实验表明光的行为类似于波。所以当时关于光的主流理论是它是一种波。问题在于,人们认为波必须通过某种介质移动。
众所周知,光可以在真空中传播,因为你可以看到星光。然而,人们认为外层空间是空的,什么也没有。因此,科学家们认为,光波能够在真空中传播的唯一途径是,存在一种遍及整个宇宙的介质,他们称这种物质为"以太"。
这种以太理论是 19 世纪的物理学标准理论。1887 年,阿尔伯特・迈克尔逊和爱德华・莫雷两位物理学家提出了一个想法来测试以太的存在。背景以太被认为是静止不动的,但由于地球在运动,人们认为它会影响粒子(或波)的速度。如果波与地球的传播方向相同,波的速度应该在地球速度的方向上更高。
为了验证这一假设,迈克尔逊和莫雷设计了一种称为干涉仪的装置。该装置将一束光分成两束,然后将其从镜子上反射回来,使其向不同的方向移动,最终击中同一个目标。这个想法是,两束光沿着不同的路径穿过以太,它们传播相同的距离,但以不同的速度移动。因此,当它们击中最终目标屏幕时,这些光束彼此之间的相位会略有不同,从而产生干涉图样。
但是这个实验的结果是惊人的。实验表明,两束光的速度并没有差异。无论光束走哪条路径,光似乎都以完全相同的速度移动。这严重危害了以太理论,没有人知道为什么,也没有人想出另一种理论来解释它。它被称为"有史以来最失败的实验"。
爱因斯坦开始介入
在 1873 年,詹姆斯・克拉克・麦克斯韦提出光是一种电磁波。他甚至计算过它的速度,大约是每秒 30 万公里。爱因斯坦了解过这一点,那时他就提出了一个思想实验:他想象自己在以光速行进的同时追逐着一束光,他会看到什么呢?他在笔记中写道:"如果我能赶上这束光,我应该观察到这样的场景,光就像一个静止的电磁场,虽然它在空间上是振荡的。"换句话说,爱因斯坦认为他应该看到静止的光波。
然而,那是不可能的。爱因斯坦知道这样的静止场会违反麦克斯韦提出的电磁方程。电磁场中的任何波都必须以光速运动,不能静止不动。此外,爱因斯坦认为,如果有人乘坐一辆接近光速的非加速列车旅行,如果没有窗户,这个人无法知道他的速度有多快。以固定速度行进的人与静止不动的人的物理定律应该是相同的。
所以他提出了两个假设,并试图弄清楚如果这两个假设都成立,物理学会是什么样子。假设之一是物理定律对于所有惯性参考系都是相同的。假设二是真空中的光速对于所有惯性参考系都是恒定的
第一个假设几乎是常识,并且已经假设了数百年。然而,第二个假设是革命。光在真空中运动的,我们总是测量到它的速度为每秒 30 万公里,这意味着爱因斯坦永远看不到静止的振荡场。这是爱因斯坦认为协调麦克斯韦方程组与相对性原理的唯一方法。
但是这个解决方案似乎有一个致命的缺陷。想象一下,当火车以每秒 3 万公里的速度呼啸而过时,站在铁路旁的人发射了一束光。铁路旁的人会测量到光束的速度为标准的每秒 30 万公里,但是火车上的人会看到光以每秒 27 万公里的速度行进。爱因斯坦总结说,如果光速在所有惯性系看来都是一样的,那么如何修正火车上的观察者,使他测量得到的光束也是每秒 30 万公里。
这种问题让爱因斯坦思考了将近一年。突然,在 1905 年 5 月的一个早晨,爱因斯坦看到了解决办法。他的思想实验的解决方案是,一个在火车上旅行的人,必须以不同的方式体验时间,相对运动中的观察者体验时间不同!这是革命性的时刻,它彻底颠覆了伽利略和牛顿开创的数百年的经典物理学,认为时间在宇宙中是固定的和绝对的。
爱因斯坦表明时间是相对的,并且在不同的参照系中有所不同。没有以太理论提供的绝对的参考系,因此不再需要以太的概念。这一认识也导致了狭义相对论的其他结论:尺缩效应、动质量、质能方程。
本文来自微信公众号:万象经验 (ID:UR4351),作者:Eugene Wang
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