《相对论百问》

 

 

狭义相对论的两块基石是：1、相对性原理；2、光速不变原理。无论谁去测量真空中的光速,光速都是一个值C，跟观测者相对于光源的运动无关。

 

 

 

我因为搞相对论教学，同时也参加写一些科普书。我今天给大家介绍我写的一本科普书就是《相对论百问》。

 

《相对论百问》这本书，我写的时候是就是2005年《狭义相对论》发表100周年。因为爱因斯坦的《狭义相对论》是1905年发表的。当时我们中国引力，相对论天体物理学会内部，我们在纪念爱因斯坦这个成就的时候，同时发现大家还是有一些疑问，有一些问题没有澄清。

 

我当时是这个学会的理事长，这个学会也是物理学会的一个分会。我就觉得我们有必要把它搞得清楚一点。因为我也有很多的不清楚，人家问我我也有不太清楚的地方。于是我就请教了一些人，请教了不少人。然后把这些问题讨论过了以后呢，我最后就写成这么一本书。主要供那些大学和中学的讲授相对论的老师以及相对论工作者参考的。

 

其中的大多数内容可能他们都知道。但是可能会有个别的情况不是很清楚。我这里头尽量的把这个东西都写清楚。我的重点是写狭义相对论。因为狭义相对论是所有的大学物理的教学当中，理工科的学生，在电磁学里头，电动力学里头都会提到的。

 

所以我这里面有36个主要的问题，就是狭义相对论的。还有72个辅助性的问题，这个问题跟大学物理的教学没有直接关系，但是它直接触及科技前沿。包括广义相对论，黑洞，宇宙学以及爱因斯坦本人的一些经历。

 

比如说有些什么问题，可能是不清楚呢？比如为什么说，爱因斯坦是相对论的唯一的一个创建者？因为狭义相对论的核心公式是洛伦兹变换。但是洛仑兹变换是洛仑兹先得到的，不是爱因斯坦先得到的。洛仑兹也对这方面的研究花了很大的力量。另外一个像相对性原理，最清楚的表述是庞加莱。庞加莱是法国的数学家。他同时也搞理论物理研究。

 

为什么我们通常讲狭义相对论的时候，只讲爱因斯坦本人，对那两个人提得少一点？也不是不提。其实情况是这样的，洛仑兹他得到那个变换呢，他是从实验，根据实验的结果慢慢凑出来的，并没有一个系统的理论。爱因斯坦这个是一个系统的理论。他的狭义相对论有点像欧几里得的，欧式几何似的先提出公理。然后推出主要的核心公式，再得出很多的效应，它是一整套的东西。

 

洛仑兹呢，狭义相对论的两块基石是：基础，实际上是1、相对性原理。就是物理规律在所有的惯性系当中都一样。还有一个原理是光速不变原理。2、光速不变原理是说无论是谁去测量真空中的光速,光速都是一个值C，真空中的光速都是同一个值，跟观测者相对于光源的运动无关。那么这两条原理，相对性原理，洛仑兹就准备放弃。

 

庞加莱是相信相对性原理，说所有的惯性系都是平等的。物理规律在所有的惯性系当中都一样。但是庞加莱相信以太。以太实际上还是一个特殊的参考系。所以他并没有真正彻底的从物理上抛弃绝对时空的观念。虽然他理论上是想抛弃绝对时空的观念。但是他承认以太，就等于还是承认存在一个绝对空间。

 

爱因斯坦曾经讲过，他的理论和牛顿物理的分水岭不在相对性原理。他说相对性原理其实很多人都知道，只不过当时有点混乱。其实伽利略时候就提到过相对性原理。只不过当时大家对于相对性原理，对于电磁学是不是还成立产生了混乱。他说这个比较容易坚持，不容易的是想到光速不变原理。

 

光速不变原理是说什么呢？就像我刚才说的，因为大家对光速不变原理往往有一个误解。这个误解是什么呢？就是我们通常会认为爱因斯坦提到了光速在真空当中是一个常数，或者光速是各项同性的。在每一点都一样。这个确实都是光的性质。但是这个不是光速不变原理。

 

我们中国人强调的这个光速不变原理是指的光速跟观测者的相对于光源的运动没有关系。也就是说这儿有一个光源。有人在这儿测光速和另外一个迎着光过来的人测光速，还有一个顺着光速方向跑的人测光速，都是同一个值C。跟他们的运动无关。这是光速不变原理。

 

当然光在一个惯性系当中，它保持各项同性。这也是一个假定。所以国外有时候就说是光速恒定原理。那就把两个都包含进去了。如果我们只是按照中国人说的这个光速不变原理呢，强调的是这一点。至于光速恒定的那个，就是真空当中可以假定，或者说是规定往返光速相等。这个庞加莱就提到过，爱因斯坦也受到他的影响。应该说爱因斯坦当时看过，年轻时代时看过庞加莱的一些书的。他应该受到一些影响。

 

但是真正把光速不变原理确定下来，把相对性原理确定地表示出来，又从这两条原理推出洛仑兹变换的人，只有爱因斯坦一个人。而且他同时谈到了时间。时钟变慢，运动的钟变慢，运动的尺收缩，双生子佯谬，E=mc²这个式子，以及其他的一些相对论的结论，他全推出来了。所以他是相对论的唯一的创建者。

 

别人虽然都做了贡献，都是给相对论的发现提供了很多的基础性的，做了很多基础性的工作。但是真正把这个理论建立起来的，还是爱因斯坦本人。此外爱因斯坦后来又讲了广义相对论，这是他一个人提出来的。一步一步，他自己一步一步提出来的。

 

他主要是狭义相对论提出来之后，他又有几个问题解决不了。一个问题就是说，狭义相对论的惯性系没法定义。因此按照牛顿的绝对时空理论，他认为凡是相对于绝对时空静止的，或者做匀速直线运动的参考系，就是惯性系。但是爱因斯坦相对论认为，根本没有绝对空间，所有的惯性系都是平等的。

 

那这个惯性系怎么定义？这个有的人想了很多办法，其实都不行。爱因斯坦认为，惯性系的定义是有问题的。看来现在定义不了。另外一个就是万有引力定律跟惯性系，跟相对论有矛盾。所以他就抓住了这两个问题。一个是万有引力定律跟相对论有矛盾。因为当时就知道两种力，一种是电磁力，一种是万有引力。

 

电磁力跟相对论正好吻合，而牛顿的万有引力定律跟相对论不相容。再加上惯性系没法定义，他就反复思考这个问题，最后提出了一个等效原理。就是认为惯性效应和引力效应，在一个无穷小的时空范围之内是无法区分的。然后又经过这个逐渐地认识到了时空弯曲。一步一步往前走。你们要是看广义相对论的建设的历程的话就会看到，确实几乎是他单枪匹马干的。干到最后的时候，希尔伯特给他提出了一些帮助，最后得到了这个场方程。

 

但是希尔伯特对场方程的物理理解是不行的，他当时也接受了一些错误的物理观念。只有爱因斯坦正确地理解了他的全部的理论，而且把这个东西建立起来的。所以他也是广义相对论的唯一的一个创建者。

 

我在这个书里头，还讲了一些比较有意思的问题。比如说一个宇航员，在星际空间航行的时候，他能看到什么。当然我们知道，如果火箭加速的时候，他感受到有重力。如果关机以后，他会失重。这是大家都知道的。但是他还有其他的问题。火箭在飞行的时候呢，他会看到前方来的光发生蓝移，后边的星系以及两侧的星系都会有红移，这是多普勒效应。另外呢，他还有时间变慢的效应。

 

还有就是他会看到宇宙中的星系都在往前方集中。这个东西是一个光行差现象。我在这个书里头都做了解释。另外一个就是，对这个问题呢，这个宇航员最终的结果呢，还会有一个双生子佯谬出现的东西。他最后会显得比较年轻。出去旅行的这个人呢，会显得比较年轻。

 

还有一点在这个书里头还谈到了一个就是宇宙学的红移，不是多普勒效应，就是我们看到遥远的星系都是有红移效应。刚开始大家都认为是多普勒效应。这个是哈勃当时首先找到了一个规律。就是越远的星系，它的红移越厉害。就好像逃离我们的速度越大。

 

我这里头介绍了一个问题，就是说这个东西还不是多普勒效应。它依然是一个引力效应。当然因为时间问题，我在这儿就不讲这个了。这本书是比较适合老师们看，可以澄清一些原来没大注意的问题能够使自己更清楚一点。