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电磁学的基本定律是麦克斯韦方程组,预言了电磁波的存在并求得电磁波在真空中的速度c=29.9792458万千米/秒,等于光在真空中的传播速度.19世纪末20世纪初,以太说使人们认为如果电磁波在以太中的传播速度为c的话,根据加里略变换公式,在以速度v相对以太做匀速直线运动的参照系中,电磁波的传播速度在c+v和c-v之间.光速经过加里略变换后发生变化,说明麦克斯韦方程组对加里略变化不具有协变性,即相对于某一特定惯性系,由麦克斯韦方程组可导出电磁波的传播速度c,相对另一惯性系,麦克斯韦方程组有另一数学表达式使电磁波速度不同于c,这表明,如果承认两惯性系之间的坐标变换是加里略变换,那么电磁学的定律与之不相容,不相容的原因可能是:
(1)相对性原理只适于力学定律,不适于电磁学定律.若如此,则能找到一个特殊的惯性系,相对于这一惯性系,麦克斯韦方程组成立,电磁波在真空"以太"中传播速度为c,这意味着至少在电磁学范围内绝对参照系是存在的. (2)存在一广义的相对性原理,既适用于力学,也适用于电磁学.两个惯性系之间的坐标是加里略变换,麦克斯韦方程组对加里略变换不具有协变性,表明麦克斯韦方程组不是电磁学的基本方程,必须找到真正的电磁学方程组. (3)存在一广义的相对性原理,既适用于力学,也适用于电磁学.电磁学的基本定律是麦克斯韦方程组,但加里略变换不是代表广义相对性原理的变换式,因此必须寻找保证麦克斯韦方程组为协变式的新的变换公式,如果此新的变换式,牛顿定律不符合相对性原理,就得修改牛顿定律. 第一种看法与当时占统治地位的绝对时空观一致,既然相对不同惯性系的光的传播速度不同,找到光在其中的传播速度正好是麦克斯韦所预言的光速c的参照系,就找到了绝对参照系.迈克尔逊-莫雷1887年的实验就是为了寻找和发现绝对参照系而设计的.(实验原理不再叙述,精度达到10^-8数量级,使结果可信)以后多次重复本次实验,包括1958年的微波激射和1970年的用穆司堡尔效应做的实验,都否认了绝对参照系的存在,表明光速不依赖观察者所在参考系,用星光做光源的实验还证明光速也不依赖光源相对于观察者的运动。关于光速和光源运动无关的另一实验证据是对双星运动的观测，双星绕其质心运动，若光速依赖光源速度的话，则双星中向着地球运动的一颗星发出的光将比另一颗星发出的光传播的较快。因而地球上观测双星运动轨道将受到歪曲，实际上没有观测到这种运动，表明两颗星发出的光的速度是一样的。近年用高速运动粒子做光源进行实验，对光速不依赖光源运动提供更精确的实验检验。因此，即使是在电磁学范围内，绝对参照系也不存在。 牛顿力学的基础是三大定律及在此基础上导出的动量定理，角动量定理，功能定理等，建立后的200多年里从未发现任何麻烦，但19世纪后期，在解释高速粒子现象上，牛顿力学开始出现裂痕，裂痕越来越大，以至不得不建立新的理论来代替牛顿力学。 按照牛顿力学，粒子运动速度不存在极限，若粒子质量很小，外力足够大，在短时间内速率超过光速似乎并不是不能实现，或根据动能定理v=sgrt（2E/m），只要外力功无限增大，粒子速率亦可无限增大。但实验结果表明，虽然我们可以无限制地给粒子能量，但粒子速率却不无限增大，vv~E并不成立。以电子为例： 动能 电子速率（10^8米/秒） 由v=sgrt（2E/m）计算值（10^8米/秒） 0.5 2.60 4.20 1.0 2.73 5.93 1.5 2.88 7.27 4.5 2.96 12.59 15 3.00 22.98 这些数据表明，电子速率很大时，动能公式不再成立。同时表明经典速度叠加公式有问题。 |