真空光速不变性原理的提出相对论和量子力学是近代物理学的两大.DOC

4、真空光速不变性原理的提出 相对论和量子力学是近代物理学的两大理论支柱,它们的提出推动了人类科学技术的迅猛发展,可以预料再今后相当长的一段时间内,这两种理论还将会处于统治地位并得到进一步发展.但相对论提出后的近100年,一直受到不少人的反对,其中包括一些著名物理学家.但一种科学理论遭到如此多人的反对在科学史上还是少见的,托勒密的地心说尽管是一个错误的理论,但在当时它还是符合人们的直觉经验的,在逻辑上还是自恰的,用托勒密的地心说进行一些历法计算还是相当准确的.这个学说在统治人们一千多年的漫长历史过程当中,绝大部分人还是认同的,这说明托勒密的地心说具有可理解性.那么相对论为什么得到如此多人的反对呢?我认为相对论(或多或少)关键是在逻辑上具有不可理解性,一些假设条件(如真空光速不变)违反人们的直觉甚至理性。这是否意味着相对论是一个错误的理论呢?不是,相对论是一个很了不起的理论,其伟大之处在于它使人们摆脱了牛顿绝对时空观的束缚，对时间和空间的概念赋予了新的物理学涵义——时间和空间不是别的而正是运动着的物质本身，进一步说是物质本体通过运动所表现出的现象形态。那么，相对论如此伟大为何又遭到如此多人的反对呢？问题的关键就在这里。大部分人在学习或研究相对论时，参考的是一些教科书，但相对论是一个同（真空中）物质运动密切相关的很深的时空理论，一些教科书上并没有直接反映这种思想，而对相对论的一些逻辑推导或讨论又在牛顿的绝对时空框架内进行，但相对论作为一种时空理论必然离不开时空坐标这样一些概念，人们在碰到时空坐标这种概念时自觉或不自觉地就与绝对时空框架联系了起来，而忽视了时空本身的物质属性和运动属性，这样就使得相对论的一些逻辑假设和理论推导难以让人们在直觉和理性思维方式下去体验和把握，由此造成了学习者或研究者的思维混乱。从表面上看，相对论是一关于时空坐标变换的理论，其实坐标变换仅是一种数学处理手段，还是表象的东西。严格讲，相对论是一个关于运动着的物体或粒子与真空相互作用的理论，要描述这种相互作用机制可以采用坐标变换的方法也可以采用其他方法，爱因斯坦采用了前者，前者更直观、更经济些，但却远离了物理本质。其实，相对论的一些结论可用粒子物理和量子力学以及牛顿力学（从某种意义上讲，牛顿力学是一种经验科学，但它在本质上也是一种物体或粒子与真空相互作用的理论，引力、物体的惯性、质量等无一不与物体或粒子与真空相互作用机制有关。大家可参考：THE?QUANTUM?THEORY?OF?MOTION。PETER?R?HOLLAND著，北京：世界图书出版公司）方法推导出来。在相对论中最难理解的莫过于真空光速不变原理了，其实这一原理是正确的：只要将那个运动的坐标系不要看成绝对坐标系，而是一种运动着的物质系统，光进入该系统后，由于光子与该物质系统内的某种更为细腻的物质——真空量子相互作用，使得光依然以光速运动，也就说光子与它产生相互作用的邻域真空是一个不变量，这就是真空光速不变原理（请参考：广义相对论引论，王仁川，合肥：中国科学技术大学出版社，1996年）。 相对论认为，光速和源速无关，和测量光速者的运动速度无关，这要求光速必须是无穷大，也许正因为如此，爱氏坦言“光速在我们的物理理论中扮演着无限大速度的角色” 【2】1905年，Einstein在德国《物理学纪事》杂志上发表《论动体的电动力学》论文，提出了狭义相对论。狭义相对论是以两个前提假设为基础提出来的。 “以下的讨论将以相对性原理和真空光速不变原理为依据。这两条原理我们定义如下：①物理体系的状态基以变化的定律，同这些状态的变化是以两个彼此作相对匀速运动的坐标系中的哪一个为参考，是无关的。②任一条光线在“静止的”坐标系中都以确定的速度V运动，不管这条光线是由静止的还是由运动着的物体发射出来的。【3】电磁波在真空中的传播速度等于电量的电磁单位与静电单位的比值。 Einstein真空光速不变原理的原话是：“诸如此类的例子，以及企图证实地球相对于‘光介质’运动的实验的失败，引起了这样一种猜想：绝对静止这个概念，不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特征。倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于上述电动力学和光学的规律也一样适用。我们要把这个猜想提升为公设，而且还要引进另一条在表面上看来同它不相容的公设：光在空虚空间里总是以一确定的速度c传播着，这速度同发射体的运动状态无关。由这两条公设，根据静止物体的麦克斯韦理论，就足以得到一个简单而又不自相矛盾的运动物体电动力学。” Einstein提出的真空光速不变有两种假设，一种是假设光波在空间中的传播速度与光源运动状态无关；另一种假设是光波相对观测者的