从漂移速度到相对论时空变换.pdf

物理学漫谈

从漂移速度到相对论时空变换*2024－11－14收到

†email：wucongjun@westlake.edu.cn

吴从军†DOI：10.7693/w

(西湖大学物理系新基石科学实验室杭州310024)CSTR：32040.14.w

文章提供了一种基于基础电磁学来引入狭义相对论的方法，无需借助麦克斯韦方程组。

通过研究电荷和磁单极在正交电磁场中的漂移速度，可以得出“物理”的漂移速度存在一个

普适的上限(即光速)。这样光速不变性及其不可超越性，就成为相对性原理的推论。在正交

电磁场中，电荷和磁单极的漂移运动在惯性参考系之间的变换下，仍然保持漂移运动，而这

与伽利略的速度迭加法则并不相容。以此出发，可以导出相对论的速度迭加法则、电磁场以

及时空坐标间隔的相对论变换。

理学的基石。光速不变及不可超教学并没有让我从内心深处真正理

1引言

越、同时性的相对性、质能关系等解。狭义相对论和宏观低速的日常

自伽利略时期以来，人们开始深刻地影响了人类对时空观念的认生活体验相去甚远。在可预见的将

接受了相对性原理(relativityprin‐知。狭义相对论通常在《普通物理》来，人类也不会有机会去乘坐光速

ciple)：所有的惯性参照系(下文简的力学部分讲授。经典教材《伯克飞船，很难有相对论时空观的直觉。

[3]作者是在学习《普通物理》电

称参照系)是彼此等价的，没有一个利物理学教程·第一卷》和《费曼

[4]磁学的过程中，逐步接受相对论

参考系比另外一个更为特殊。例物理学讲义·第一卷》，都是这样

F处理的。的。E.M.Purcell的经典教材《伯克

如，考虑地面参考系和相对于地

F狭义相对论的基础是时空坐标利物理学教程·第二卷》将磁场表述

面做匀速运动的火车参考系。这

[5]

两个参照系中牛顿运动定律的形式的洛伦兹变换。它的推导通常基于为电场经过相对论变换的产物。

是完全一样的。下面两个公设(postulate)：一个静电荷只产生电场，但是如果

到了19世纪后半叶，电磁场的公设(I)：相对性原理。这是伽从火车上观察，电荷就动了起来，

麦克斯韦方程已经建立。电磁学规利略相对性原理的推广版，物理定产生了电流和磁场，这只是换了个

律是否依赖于参照系的选择，也就律在所有惯性系中都是一样的，包参照系而已。让人印象深刻的是，

是以太是否存在，成为一个重要括了电磁学定律；将相对论变换应用于静电场所得的

的问题。在探索此问题的过程中，公设(II)：光速不变性。即光磁场和安培定律所给出的磁场，是

以爱因斯坦为代表的一批物理学家的传播速度在各个参照系中都是一一致的。我无法否认磁力的存在，

创立了狭义相对论，证明以太并不样的。也就接受了相对论的合理性。