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第七章5相对论时空观与牛顿力学的局限性

问题?

设想人类可以利用飞船以0.2c的速度进行星际航行。若飞船向正前方的某一星球发射

一束激光，该星球上的观察者测量到的激光的速度是多少?

生活经验让我们体会到，时间像一条看不见的“长河”,均匀地自行流逝着，空间像一

个广阔无边的房间，它们都不影响物体及其运动。也就是说，时间与空间都是独立于物体

及其运动而存在的。这种绝对时空观，也叫牛顿力学时空观

我们知道，若河中的水以相对于岸的速度v*神流动，河中的船以相对于水的速度vm水

顺流而下，则船相对于岸的速度为

0m岸=0m水十0水

因此，前面问题的答案似乎应为1.2c。然而，事实并非如此!

相对论时空观

在19世纪，物理学家麦克斯韦基于电磁场理论预测了电磁波的存在，并证实了电磁波

的传播速度等同于光速c。自然地，人们会问：这个速度是相对于哪个参考系来判断的?

一些物理学家对此进行了深入探讨。在实验研究中，1887年的迈克耳孙-莫雷实验以及其他

一些实验结果表明：无论在哪个中，光的传播速度都是恒定的!这与牛顿力学中关于不同

之间速度变换的概念相悖。

在牛顿力学理论与电磁波理论之间的冲突和矛盾面前，一些物理学家仍然坚持原有理

论的基础观念，进行一些修补工作。然而，等人则主张彻底放弃与实验和观测不符的观点，

例如绝对时间的概念，并提出能够更好地解释实验事实的假设。

假设：在不同的惯性参考系中，物理规律的形式都是相同的；真空中的光速在不同的

惯性中大小都是相同的。

的假说以及在此假说基础上得出的结论，经受住了实验的检验，对现代物理学和人类

的思想发展都有很大的影响。

在经典物理学家的观点中，如果两个事件在一个参考系中是同时发生的，那么在另一

个中也必定是同时的。然而，根据提出的两个假设，情况是否仍然如此呢?让我们以一列

火车为例。火车沿着平直轨道以恒定速度行驶，车厢的光源发出了一个闪光。这个闪光照

射到车厢的前壁和后壁。从车厢内的观察者的角度来看，由于车厢是一个惯性系，光向前

和向后传播的速度相同，而光源位于车厢的正中央，因此闪光会同时到达前后两壁(如图

7.5-1甲所示)。

→

o

面p1c))

甲乙

图7.5-1闪光是否同时到达前后两壁

对于站在地面的观察者来说，由于闪光向前和向后传播的速度相同，所以在闪光飞向

两侧墙壁的过程中，车厢也向前行进了一段距离。因此，向前传播的光路程更长一些。所

观测到的现象应该是：闪光先到达右侧墙壁，然后到达左侧墙壁(参见图7.5-1乙)。所以，

这两个事件并非同时发生。

在爱因斯坦两个假设的基础上，经过严格的数学推导，可以得到下述结果。

如果相对于地面以v运动的上的人观察到与其一起运动的物体完成某个动作的时间间

隔为△t,地面上的人观察到该物体在同一地点完成这个动作的时间间隔为△t,那么两者之

间的关系是

△t=(1)

由于1-21,所以总有△t△t,此种情况称为时间延缓效应。

如果与对静止的人测得杆长是10,沿着杆的方向，以v相对杆运动的人测得杆长是1.

那么两者之间的关系是

I=l?(2)

由于1-21,所以总有110,此种情况称为长度收缩效应。

(1)式和(2)式表明：运动物体的长度(空间距离)和物理过程的快慢(时间进程)

都跟物体的运动状态有关。这个结论具有革命性的意义，它所反映的时空观称作相对论时

空观。

为了验证(1)和(2)这两个式子是否正确，我们需要找到一个高速运动的物体。科学家己

经发现μ子以0.99c甚至更快的速度飞行。根据经典理论，我们可以计算出每秒钟到达地球

的μ子数量，然而这个数值小于实际观察到的μ子数量。这种观察到的现象与经典理论之

间产生了矛盾。

思考与讨论

已知μ子低速运动时的平均寿命是3.0μs。当μ子以0.99c的速度飞行，若选择μ子