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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。 迈克饵逊-莫雷实验的零结果，表明寻找绝对参照系的努力失败了，电磁学定律，相对性原理和加里略变换不一致的原因不在麦克斯韦方程组一边，相反牛顿力学却出现了某种裂隙，1905年，爱因斯坦发表《论动体的电动力学》，写到“...对力学方程成立的所有坐标系来说，相应的电动力学和光学方程也成立...”下面我们用了这一假设，同时引出另一假设，一个看上去与上一假设不相容的假设--光在真空中以速度c传播，其值与发光物体的运动性质无关，这两个假设完全可以在静止物体的麦克斯韦理论基础上导出动体的电动力学简单而又一致的理论“这一段简单的叙述，就是爱因斯坦建立狭义相对论的全部假设，它可归纳为： （1）物理学的定律在所有的惯性系中具有不变的形式，这就是爱因斯坦的相对性原理。 （2）自由空间中，光的传播速度具有相同的数值c，与惯性参照系的运动无关，因而与光源速度无关。这就是爱因斯坦光速不变原理。 爱因斯坦的两条假设看起来十分简单，但这两条假设却以及由此推出的某些结论却与人们日常生活的经验极不一致，以致很难被人理解和接受。在爱因斯坦的狭义相对论提出后，还出现了许多保卫牛顿力学和以太理论的各种尝试，但都以失败告终。例如，若两个彼此匀速直线运动的惯性系S和S’，在两参照系坐标原点O和O’重合时，从原点发出一光脉冲，按光速不变原理，相对S系，自原点O发出的光，将以恒定速率向各个方向传播，在任何时刻，光的波面阵是以O为中心的球面阵。相对S’系，自原点O’发出的光，将以恒定速率向各个方向传播，在任何时刻，光的波面阵是以O’为中心的球面阵。虽然O’是相对O以恒定速率运动着，在两个参照系内得到的光波是以各自原点为中心的球面波的结论与相对性原理一致。或许你要问，光脉冲的波面到底是以O为中心的球面还是以O’为中心的球面？期望得到只有相对于这两个参照系中的某一个，光的波面才是球面的答案本身就在期望存在一特殊的参照系，这意味着你还没有完全摆脱绝对参照系的影响，尽管O’相对于O做匀速直线运动，但相对于各自的参考系的光的波阵面都是以各自的原点为球心的球面，这正是空间本身所具有的特征的一种反映。 我们在写加里略变换的时候，有意把t=t’列出，目的是把加里略变换中隐含的假设明显地表示出来，爱因斯坦在建立狭义相对论的时候，恰恰抓住了这个所谓显然的，理所当然的，不成问题的问题，这一问题正是一切矛盾的根源。 给定的参考系中，判断同一地点的两事件是否同时发生比较容易，但要判断空间不同点的两事件的同时性就会遇到麻烦。如A点观测者获得B事件发生信息并读下A点时钟的读数，这读数表示的是B事件传到A地点的时刻，并非B事件发生的时刻，除非信息传递的速度无限。要确定两事件的同时性，需先将A，B两地点钟校正，然后比较每一时钟所记录发生事件的时刻。值得注意，某些显而易见的校正时钟的方法未必正确。对于同一位置的两个时钟的校正是不难的，但把处于某处的校正过的钟搬到他的住处的过程中，我们无法保证这种搬动不影响种的读数。实际上，搬动中，种获得速度，而且还有加速度，即使在经典物理中，加速运动也可能影响时钟运转的快慢。而要校正位于两地的时钟，亦即让A处的钟指示某一读数的同时，使B处的钟指示同一读数，这本身就是判断发生在两地事件的同时性问题，后者解决了，前者也就解决了。 ------ |