从爱因斯坦提出相对论看创新-王敬羽08330042

从爱因斯坦提出新对论看创新

摘 要：以狭义相对论产生的历史背景和爱因斯坦《论动体的电动力学》论文为线索，从

观念到思维，由理论和方法，以及应用理解到归纳创新等方面，论述狭义相对论是爱因斯坦科学创新的精美标本。为狭义相对论的创新教育教学提供启导思路。

关键词：爱因斯坦 创新 狭义相对论

1905年9月德国的《物理杂志》发表了爱因斯坦的《论动体的电动力学》论文，标志着爱因斯坦创立了狭义相对论，使电磁场理论和经典力学得到了统一，开创了物理学的新纪元。观看这照亮世界的物理学，深感狭义相对论是爱因斯坦科学创新的精美楷范。

1． 19世纪末电磁学的辉煌成就和矛盾1864年，麦克斯韦建立了统一的电磁场理论——麦克斯韦方程组，由电磁场理论预言了电磁波的存在，并认为光波也是电磁波，提出了光的电磁学说，统一了电磁学和光学。1887年赫兹用实验证实了电磁波的存在，麦克斯韦电磁场理论取得了巨大成功。然而，电磁场的一些规律与牛顿力学理论相矛盾。

1．1 当时人们认为光波的载体是“以太”，也是电磁波的载体。但是，迈克尔孙—莫雷实验为寻找以太给出了否定的结果。迈克尔孙一莫雷实验，让一台干涉仪转动90度，观察干涉条纹是否移动。原理是：如果以太充满于整个空间，地球在绕太阳运动中，若以地球为参考，就会存在“以太风”，光线在不同方向运动的速度就会不同。因此，干涉仪中垂直等距的两臂中的光速将不同。当干涉仪转过9O度，其两臂互换方位时，两条光线的速度也发生互换，因而会发生干涉条纹移动现象。但实验结果没有观测到预期的条纹移动。

1．2 电磁场规律不满足伽利略相对性原理。

1．3 在真空中电磁波的传播速度是一常量，且与光速值吻合。这与伽利略速度变换公式矛盾。

1．4 电子的质量随其运动速度的增加而变大。这与牛顿力学质量是常量的结论矛盾。 2． 物理学家为解决上述矛盾的科学探索自从1687年牛顿的绝对时空与运动理论发表，牛顿力学以及伽利略变换统治了物理学两个多世纪。此时，统治了两个多世纪的牛顿力学与伽利略变换遇到了困难。科学家们纷纷寻求解决困难的方法。

2．1 洛伦兹假设

上述矛盾使物理学家意识到，只有在理论上大胆背离经典物理学的传统观念，才有希望做出成功的解释。爱尔兰物理学家斐兹杰拉、荷兰物理学家洛伦兹研究电磁学理论后，认为传播光的媒质—— 以太是存在的。并先后提出了长度收缩假设(称为洛伦兹一斐兹杰拉收缩假设)，认为在以太中运动的物体沿其运动方向将会收缩一定倍数 (其收缩倍数与后来爱因斯坦推导出的收缩倍数相同)。因此，在迈克尔孙一莫雷干涉仪中，沿着地球运动方向的“臂”都会发生收缩，所以干涉仪转过90度时，当然不会造成干涉条纹的移动了。洛伦兹还认为一切相对于以太运动的物体，沿着运动方向的收缩会导致物质原子结构的变形，是真实的物理效应。为了使电磁场规律满足伽利略相对性原理， 1904年，洛伦兹由以太假说，修改了伽利略变换式，推出新的变换关系式一洛伦兹变换式。对于洛伦兹变换式中的时间公式的物理意义，洛伦兹用 “局部时间”的概念解释，认为并不是真正的时间。为了解释电子质量随其运动速度增加而变大的关系，洛伦兹假设电子的质量起源于电磁，由电子的线度沿着运动方向收缩推出了电子质量与其运动速度之间的关系式(与后来爱因斯坦推出的电子质量公式形式相同)。

2．2 拉摩和马赫的尝试

英国物理学家拉摩在1900年左右也推出了洛伦兹变换，发现了时间变慢公式，并提出必须

抛弃以太的机械观念。奥地利物理学家马赫在著作《发展中的力学》中提出，根本不存在绝对空间和绝对运动，一切运动都是相对的。拉摩和马赫已经看出了牛顿力学理论体系的内在矛盾，但是他们都没有突破传统理念的束缚，没能建立新的理论。

2．3 彭加勒的贡献

法国数学物理学家彭加勒在1905年之前已经接近了相对性原理和光速不变原理的提出。他引进了四维时空观念，提出物理定律对于洛伦兹变换应该具有不变的形式，推测真空中的光速是常数，而且可能是极限速度。1904年他在圣路易斯会议的报告中写道：“应该构造一种完全新的动力学，那里的惯性随速度而增长，以致光速成为一个不可逾越的极限”。洛伦兹和彭加勒等物理学家虽然做了许多工作，也已走到了狭义相对论的边缘，但观念均未能取得突破性进展。

3． 推陈创新— — 爱因斯坦脱颖而出

爱因斯坦通过钻研麦克斯韦、洛伦兹、彭加勒和马赫等物理学家的主要著作，在前人研究的基础之上，认识到了解决电磁学现象与牛顿力学矛盾的关键所在。1905年6月完成了《论动体的电动力学》论文，以推陈创新的胆略和智慧解决了电磁场规律与牛顿力学理论的矛盾。 3．1 观念上创新——拼弃光以太假说

当时，爱因斯坦还不知道迈克尔孙一莫雷实验，但他认为“光媒质”—— 以太是不存在的。在《论动体的电动力学》论文的第2自然段，他就明确指出：“光以太的引入将被证明是多余的，?”。直接拼弃以太假说和绝对参考系假说，彻底打破了光的传播需要媒质的传统观念，为创立狭义相对论扫清了道路。

3．2 思维上创新一摆脱牛顿力学绝对时空观的束缚 对牛顿力学成立的伽利略变换，在电磁学理论中不成立的原因，爱因斯坦认为是牛顿的绝对时间、绝对空间有问题。而且，爱因斯坦认为解决问题的关键是更改时间和同时性的定义。因此，在论文的第一部分，爱因斯坦明确地确定了时间和同时性的定义。爱因斯坦指出：“?借助于某些(假想的)物理经验，对于静止在不同地方的各只钟，规定了什么叫做它们是同步的，从而显然也就获得了‘同时’和‘时间’的定义。一个事件的‘时间’，就是在这事件发生地点静止的一只钟同该事件同时的一种指示，而这只钟是同某一只特定的静止的钟同步的，而且对于一切的时间测定，也都是同这只特定的钟同步的。”同时爱因斯坦还指出“我们不能给予同时『生这概念以任何绝对的意义；两个事件，从一个坐标系看来是同时的，而从另一个相对于这个坐标系运动着的坐标系看来，它们就不能再被认为是同时的事件了。”爱因斯坦独到的创新思想，对时间和同时性的准确定义，摆脱了牛顿力学绝对时空观的束缚，给物理学的发展带来了质的飞跃，为创立狭义相对论迈出了关键一步。

3．3 理论上创新— — 提出两条基本原理 为了确定惯性系中的时间坐标(即“公共时间”，也就是对钟)，爱因斯坦革命性地提出光在真空中的传播速度都相等，即光速不变原理，用光速不变原理来定义惯性系中的时间坐标(这就是狭义相对论与牛顿力学的区别)，肯定了真空中的光速是常量，不依赖于惯性系的选择，且与光源或观测者的运动无关。同时，爱因斯坦还提出在一切惯性系中物理定律都具有相同的数学表达形式，即相对性原理，时间和运动对于观察者来说都是相对的。爱因斯坦还证明了相对性原理和光速不变原理是相容的。这两条原理是狭义相对论的重要基础。 3．4 方法上创新—— 由两条基本原理导出洛伦兹变换式

爱因斯坦的相对l生原理和光速不变原理非常简明，但它们的意义非常深远。爱因斯坦由这两条基本原理，导出了时间和空间各量从一个惯性参考系变换到另一个惯性参考系时，应该满足的变换关系式——人们仍称其为洛伦兹变换式(与洛伦兹1904年推出的变换方程不同，但两者对于

的一次幂一致。)。洛伦兹变换式是狭义相对论的核心公式，狭

义相对论的重要结论都来自于该公式。

3．5 应用理解上创新— — 由洛伦兹变换式导出重要结论

应用洛伦兹变换式，爱因斯坦发现：(1)同时性的相对性：在一个惯性系中的两个不同地点同时发生的两个物理事件，在另一个相对于该惯性系运动的惯性系看来不再是同时发生的。(2)运动物体的长度收缩：运动物体沿着运动方向的长度比其静止时的长度缩短了。(3)运动时钟的变慢：一切发生在运动惯性系上的过程，在静止惯性系上看来都变慢了。爱因斯坦得出的上述重要结论，和洛伦兹当初推出这些公式的时候，理解上是不同的。爱因斯坦以极大的创新性理解指出：这是狭义相对论时空观，是一种普遍的相对论运动学效应。推翻了洛伦兹的高速电子沿运动方向的收缩是真实的物理效应，以及局部时间的理论。由洛伦兹变换式爱因斯坦还得出结论：时间不是绝对的，是与空间联系在一起的；时间、空间和物质运动三者紧密关联。

3．6 归纳创新——创立狭义相对论

在《论动体的电动力学》论文中，爱因斯坦推导出洛伦兹变换式，确立了新的时空、运动关系。接着，爱因斯坦归纳创新推出了新的速度加法定理并修正了牛顿力学中的动量、动能、质量等公式，使它们都满足了相对性原理。同年9月，爱因斯坦又发表了题为《物体的惯性同它所含的能量有关吗?》论文，提出了著名的质能关系式，阐明质量是的物体蕴藏着的能量，为原子能的开发、利用提供了理论依据。爱因斯坦这两篇论文成为狭义相对论的重要结论，狭义相对论诞生了。狭义相对论揭露了空间和时间之间，以及时空和运动物质之间的深刻联系。这种相互联系，把牛顿力学中认为互不相关的绝对空间和绝对时间，结合成为一种统一的运动物质的存在形式。在物体的速度远小于光速时，狭义相对论有关公式转变为牛顿力学公式，反映了自然界的和谐与统一。历史证明，狭义相对论极大地推动了科学发展进程，成为现代物理学的基本理论之一。4． 结语 爱因斯坦能在错综复杂的矛盾面前、在各种各样纷乱的理论及假设中、在枯燥抽象的数学关系式里发现真理，这是他善于思考、开拓创新的结果。狭义相对论的创立突显了爱因斯坦怀疑传统、摆脱束缚、摒弃陈规的胆略和智慧，是科学创新的典范。狭义相对论是爱因斯坦科学创新的精美标本。在狭义相对论的教学中，突出爱因斯坦推陈创新主线，透视爱因斯坦科学创新方法。使学生对狭义相对论有较系统的认识和深刻理解，锻炼学生分析问题、解决问题能力，培养学生探索精神和创新意识，可达到创新教育教学效果。

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