愛因斯坦

概述

兩大支柱

　　相對論和量子力學是現(xiàn)代物理學的兩大基本支柱。經(jīng)典物理學基礎的經(jīng)典力學，不適用于高速運動的物體和微觀領域。相對論解決了高速運動問題；量子力學解決了微觀亞原子條件下的問題。

牛頓定律

　　由于牛頓定律給狹義相對論提出了困難，即任何空間位置的任何物體都要受到力的作用。因此，在整個宇宙中不存在慣性觀測者。愛因斯坦為了解決這一問題又提出了廣義相對論。

質(zhì)能公式

　　狹義相對論最著名的推論是質(zhì)能公式，它可以用來計算核反應過程中所釋放的能量，并導致了原子彈的誕生。而廣義相對論所預言的引力透鏡和黑洞，也相繼被天文觀測所證實。

《相對論》

　　《相對論》是愛因斯坦所著的一部在世界科學理論界影響巨大的著作，主要包括狹義相對論和廣義相對論原理的闡述，中文版本由周學政、徐有智編譯，編譯目錄如下：

·第一部分狹義相對論

　　1.幾何命題的物理意義 　　2.坐標系 　　3.經(jīng)典力學中的空間和時間 　　4.伽利略坐標系 　　5.狹義相對性原理 　　6.經(jīng)典力學中所用到的速度相加原理 　　7.光的傳播定律與相對性原理的表面抵觸 　　8.物理學的時間觀 　　9.同時性的相對性 　　10.距離概念的相對性 　　11.洛倫茲變換 　　12.量桿和時鐘在運動時的行為 　　13.速度相加原理：斐索試驗 　　14.相對論的啟發(fā)作用 　　15.狹義相對論的普遍性結果 　　16.經(jīng)驗和狹義相對論 　　17.四維空間

·第二部分廣義相對論

　　1.狹義和廣義相對性原理 　　2.引力場 　　3.引力場的思想試驗 　　4.慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量相等是廣義相對性公設的一個論據(jù) 　　5.等效原理 　　6.經(jīng)典力學的基礎和狹義相對倫的基礎在哪些方面不能令人滿意 　　7.廣義相對性原理的幾個推論 　　8.在轉(zhuǎn)動的參考物上的鐘和量桿的行為 　　9.歐幾里得和非歐幾里得連續(xù)區(qū)域 　　10.高斯坐標 　　11.狹義相對論得時空連續(xù)區(qū)可以當作歐幾里得連續(xù)區(qū) 　　12.廣義相對論得時空連續(xù)區(qū)不是歐幾里得連續(xù)區(qū) 　　13.廣義相對論原理的嚴格表述 　　14.在廣義相對性原理的基礎上理解引力問題.

論動體的電動力學

　　愛因斯坦 　　根據(jù)范岱年、趙中立、許良英編譯《愛因斯坦文集》編輯 　　大家知道，麥克斯韋電動力學——象現(xiàn)在通常為人們所理解的那樣——應用到運動的物體上時，就要引起一些不對稱，而這種不對稱似乎不是現(xiàn)象所固有的。比如設想一個磁體同一個導體之間的電動力的相互作用。在這里，可觀察到的現(xiàn)象只同導體和磁體的相對運動有關，可是按照通常的看法，這兩個物體之中，究竟是這個在運動，還是那個在運動，卻是截然不同的兩回事。如果是磁體在運動，導體靜止著，那么在磁體附近就會出現(xiàn)一個具有一定能量的電場，它在導體各部分所在的地方產(chǎn)生一股電流。但是如果磁體是靜止的，而導體在運動，那么磁體附近就沒有電場，可是在導體中卻有一電動勢，這種電動勢本身雖然并不相當于能量，但是它——假定這里所考慮的兩種情況中的相對運動是相等的——卻會引起電流，這種電流的大小和路線都同前一情況中由電力所產(chǎn)生的一樣。 　　堵如此類的例子，以及企圖證實地球相對于“光煤質(zhì)”運動的實驗的失敗，引起了這樣一種猜想：絕對靜止這概念，不僅在力學中，而且在電動力學中也不符合現(xiàn)象的特性，倒是應當認為，凡是對力學方程適用的一切坐標系，對于上述電動力學和光學的定律也一樣適用，對于第一級微量來說，這是已經(jīng)證明了的。我們要把這個猜想（它的內(nèi)容以后就稱之為“相對性原理”）提升為公設，并且還要引進另一條在表面上看來同它不相容的公設：光在空虛空間里總是以一確定的速度 C 傳播著，這速度同發(fā)射體的運動狀態(tài)無關。由這兩條公設，根據(jù)靜體的麥克斯韋理論，就足以得到一個簡單而又不自相矛盾的動體電動力學。“光以太”的引用將被證明是多余的，因為按照這里所要闡明的見解，既不需要引進一個共有特殊性質(zhì)的“絕對靜止的空間”，也不需要給發(fā)生電磁過程的空虛實間中的每個點規(guī)定一個速度矢量。 　　這里所要閘明的理論——象其他各種電動力學一樣——是以剛體的運動學為根據(jù)的，因為任何這種理論所講的，都是關于剛體（坐標系）、時鐘和電磁過程之間的關系。對這種情況考慮不足，就是動體電動力學目前所必須克服的那些困難的根源。

1、同時性的定義

概述

　　設有一個牛頓力學方程在其中有效的坐標系。為了使我們的陳述比較嚴謹，并且便于將這坐標系同以后要引進來的別的坐標系在字面上加以區(qū)別，我們叫它“靜系”。

概念

　　如果一個質(zhì)點相對于這個坐標系是靜止的，那么它相對于后者的位置就能夠用剛性的量桿按照歐兒里得幾何的方法來定出，并且能用笛卡兒坐標來表示。

坐標值

　　如果我們要描述一個質(zhì)點的運動，我們就以時間的函數(shù)來給出它的坐標值。現(xiàn)在我們必須記住，這樣的數(shù)學描述，只有在我們十分清楚地懂得“時間”在這里指的是什么之后才有物理意義。我們應當考慮到：凡是時間在里面起作用的我們的一切判斷，總是關于同時的事件的判斷。比如我說，“那列火車7點鐘到達這里”，這大概是說：“我的表的短針指到 7 同火車的到達是同時的事件。” 　　也許有人認為，用“我的表的短針的位置”來代替“時間”，也許就有可能克服由于定義“時間”而帶來的一切困難。事實上，如果問題只是在于為這只表所在的地點來定義一種時間，那么這樣一種定義就已經(jīng)足夠了；但是，如果問題是要把發(fā)生在不同地點的一系列事件在時間上聯(lián)系起來，或者說——其結果依然一樣——要定出那些在遠離這只表的地點所發(fā)生的事件的時間，那么這樣的定義就不夠了。 　　當然，我們對于用如下的辦法來測定事件的時間也許會成到滿意，那就是讓觀察者同表一起處于坐標的原點上，而當每一個表明事件發(fā)生的光信號通過空虛空間到達觀察者時，他就把當時的時針位置同光到達的時間對應起來。但是這種對應關系有一個缺點，正如我們從經(jīng)驗中所已知道的那樣，它同這個帶有表的觀察者所在的位置有關。通過下面的考慮，我們得到一種此較切合實際得多的測定法。 　　如果在空間的A點放一只鐘，那么對于貼近 A 處的事件的時間，A處的一個觀察者能夠由找出同這些事件同時出現(xiàn)的時針位置來加以測定，如果．又在空間的B點放一只鐘——我們還要加一句，“這是一只同放在 A 處的那只完全一樣的鐘。” 那么，通過在 B 處的觀察者，也能夠求出貼近 B 處的事件的時間。但要是沒有進一步的規(guī)定，就不可能把 A 處的事件同 B 處的事件在時間上進行比較；到此為止，我們只定義了“ A 時間”和“ B 時間”，但是并沒有定義對于 A 和 B 是公共的“時間”。只有當我們通過定義，把光從 A 到 B 所需要的“時間”，規(guī)定為等于它從 B 到 A 所需要的“時間”，我們才能夠定義 A 和 B 的公共“時間”。設在“A 時間”tA ，從 A 發(fā)出一道光線射向 B ，它在“ B 時間”, tB 。又從 B 被反射向 A ，而在“A時間”t`A回到A處。如果 　　tB-tA=t’A-t’B 　　那么這兩只鐘按照定義是同步的。 　　我們假定，這個同步性的定義是可以沒有矛盾的，并且對于無論多少個點也都適用，于是下面兩個關系是普遍有效的： 　　1 ．如果在 B 處的鐘同在 A 處的鐘同步，那么在 A 處的鐘也就同B處的鐘同步。 　　2 ．如果在 A 處的鐘既同 B 處的鐘，又同 C 處的鐘同步的，那么， B 處同 C 處的兩只鐘也是相互同步的。 　　這樣，我們借助于某些（假想的）物理經(jīng)驗，對于靜止在不同地方的各只鐘，規(guī)定了什么叫做它們是同步的，從而顯然也就獲得了“同時”和“時間”的定義。一個事件的“時間”，就是在這事件發(fā)生地點靜止的一只鐘同該事件同時的一種指示，而這只鐘是同某一只特定的靜止的鐘同步的，而且對于一切的時間測定，也都是同這只特定的鐘同步的。 　　根據(jù)經(jīng)驗，我們還把下列量值 　　2|AB|/(t’A-tA)=c 　　當作一個普適常數(shù)（光在空虛空間中的速度）。 　　要點是，我們用靜止在靜止坐標系中的鐘來定義時間，由于它從屬于靜止的坐標系，我們把這樣定義的時間叫做“靜系時間”。

2 關于長度和時間的相對性

概述

　　下面的考慮是以相對性原理和光速不變原理為依據(jù)的，這兩條原理我們定義，如下。 　　1 ．物理體系的狀態(tài)據(jù)以變化的定律，同描述這些狀態(tài)變化時所參照的坐標系究競是用兩個在互相勻速移動著的坐標系中的哪一個并無關系。 　　2 ．任何光線在“靜止的”坐標系中都是以確定的速度 c運動著，不管這道光線是由靜止的還是運動的物體發(fā)射出來的。由此，得 　　光速=光路的路程/時間間隔 　　這里的“時間間隔”，是依照§1中所定義的意義來理解的。 　　設有一靜止的剛性桿；用一根也是靜止的量桿量得它的長度是l．我們現(xiàn)在設想這桿的軸是放在靜止坐標系的 X 軸上，然后使這根桿沿著X軸向 x 增加的方向作勻速的平行移動（速度是 v ）。我們現(xiàn)在來考查這根運動著的桿的長度，并且設想它的長度是由下面兩種操作來確定的： 　　a ）觀察者同前面所給的量桿以及那根要量度的桿一道運動，并且直接用量桿同桿相疊合來量出桿的長度，正象要量的桿、觀察者和量桿都處于靜止時一樣。 　　b ）觀察者借助于一些安置在靜系中的、并且根據(jù)§1作同步運行的靜止的鐘，在某一特定時刻 t ，求出那根要量的桿的始末兩端處于靜系中的哪兩個點上。用那根已經(jīng)使用過的在這種情況下是靜止的量桿所量得的這兩點之間的距離，也是一種長度，我們可以稱它為“桿的長度”。 　　由操作 a ）求得的長度，我們可稱之為“動系中桿的長度”。根據(jù)相對性原理，它必定等于靜止桿的長度 l 。 　　由操作 b ）求得的長度，我們可稱之為“靜系中（運動著的）桿的長度”。這種長度我們要根據(jù)我們的兩條原理來加以確定，并且將會發(fā)現(xiàn)，它是不同于 l的。 　　通常所用的運動學心照不宣地假定了：用上面這兩種操作所測得的長度彼此是完全相等的，或者換句話說，一個運動著的剛體，于時期 t ，在幾何學關系上完全可以用靜止在一定位置上的同一物體來代替。 　　此外，我們設想，在桿的兩端（A和B)，都放著一只同靜系的鐘同步了的鐘，也就是說，這些鐘在任何瞬間所報的時刻，都同它們所在地方的“靜系時間”相一致；因此，這些鐘也是“在靜系中同步的”。 　　我們進一步設想，在每一只鐘那里都有一位運動著的觀察者同它在一起，而且他們把§1中確立起來的關于兩只鐘同步運行的判據(jù)應用到這兩只鐘上。設有一道光線在時間tA從 A 處發(fā)出，在時間tB于 B 處被反射回，并在時間t`A返回到 A 處?？紤]到光速不變原理，我們得到： 　　tB-tA=rAB/(c-v) 和 t’A-tB=rAB/(c+v) 　　此處 rAB表示運動著的桿的長度——在靜系中量得的。因此，同動桿一起運動著的觀察者會發(fā)現(xiàn)這兩只鐘不是同步進行的，可是處在靜系中的觀察者卻會宣稱這兩只鐘是同步的。 　　由此可見，我們不能給予同時性這概念以任何絕對的意義；兩個事件，從一個坐標系看來是同時的，而從另一個相對于這個坐標系運動著的坐標系看來，它們就不能再被認為是同時的事件了。