狹義相對論的成就與困難

1905年，愛因斯坦在「相對性原理」和「光速不變原理」的基礎上導出「洛倫茲變換」，建立起相對論（即今天所說的狹義相對論）的大廈。他給出了慣性系中「動尺縮短」、「動鍾變慢」、「質能關係E=mc2」、「雙生子佯謬」等重要而新奇的結論。相對論突破了牛頓理論的框架，展現出全新的物理體系和全新的時空觀。

愛因斯坦指出，自己的相對論與牛頓的經典物理學的關鍵差別不在「相對性原理」，而在「光速不變原理」。因為伽利略早就正確地闡述了相對性原理，牛頓在自己的力學中也應用了這一原理。只是洛倫茲等人為了解釋邁克耳孫實驗，對相對性原理產生了懷疑，把水搞得有點渾。愛因斯坦說，我本人只是堅持了這一原理，並無特別的創新。

愛因斯坦認為，自己最大的突破是認識到光速是絕對的，真空中的光速不僅在同一慣性系中是均勻各向同性的，而且與觀測者相對於光源的運動速度無關。

上句話的前一半說「光速在同一慣性系中均勻各向同性」，這是一個「約定」，即「規定」。只有做了這一「約定」，才可以校準不同地點的鐘，從而可以在全空間定義統一的時間（這一點我們將在第九章作詳細討論）。應該說，這一約定是建立相對論的前提。

「光速不變原理」則是指上句話的後一半，「光速與觀測者相對於光源的運動速度無關」。這一原理的意思是，相對於光源靜止的觀測者，迎著光束以速度v1相對於光源運動的觀測者，以及順著光的前進方向，以速度v2遠離光源的觀測者，測到的真空中的光速都是同一個c值。這確實是讓人難以理解的。

而且，承認「光速不變原理」，就意味著必須承認「同時」這個觀念不再是絕對的，而成了相對的。這就是說，在高速行駛的火車上，車上的人認為車頭與車尾「同時」發生的兩件事，在靜止於地面上的觀測者看來，不再是同時發生的。當然，由於火車速度不夠高，在日常生活中這一效應看不出來，但是如果火車速度接近光速，這一效應將十分明顯。

理解「光速的絕對性」，及其導致的「同時的相對性」，是十分困難的，這個難題曾經困擾了愛因斯坦很長時間，大約在一年以上。他一想通這點，所有的問題就迎刃而解了，「動鍾變慢」、「動尺收縮」等相對論效應就都自然得出了。

洛倫茲與龐加萊都曾十分接近相對論的發現，但他們都沒有認識到「光速不變原理」，沒有談論過、也根本沒有想到過「同時」這個概念會是相對的，從而與相對論的發現失之交臂。

洛倫茲與龐加萊為相對論的發現做了許多奠基性的準備，但他們都因為沒有認識到「光速不變原理」，而沒能跨入相對論的大門。所以愛因斯坦是相對論的唯一創建人。

正當全世界為相對論的成功而歡欣鼓舞時，愛因斯坦本人卻冷靜地看到了自己的理論存在嚴重缺陷。

首先，作為「相對論」基礎的慣性系，現在無法定義了。牛頓認為，存在絕對空間，所有相對於絕對空間靜止和作勻速直線運動的參考系都是慣性系。愛因斯坦的相對論認為不存在絕對空間，牛頓定義慣性系的方法顯然不適用了。

有人建議，把慣性系定義為，不受力的物體在其中保持靜止或勻速直線運動狀態的參考系，也即把牛頓第一定律（即慣性定律）視作慣性系的定義。

但是，什麼叫不受力呢？有人以為，一個物體不與其他的物體接觸，就肯定不受力。這種想法不對，因為自然界中還存在看不見摸不著的各種場，例如，引力場、電磁場等，它們都可能對物體「施力」。

也許有人會說，如果物體在慣性系中，保持靜止或勻速直線運動的狀態，就可以定義為「不受力」。讀者一下就會看出，這裡存在邏輯上的循環。定義「慣性系」要用到「不受力」。定義「不受力」，又要用到「慣性系」。這樣的定義方式，在物理學中是不可接受的。

愛因斯坦注意到的另一個缺陷是，萬有引力定律寫不成相對論的形式。有幾年，愛因斯坦致力於把萬有引力定律納入相對論的框架，幾經失敗後，他終於認識到，相對論容納不了萬有引力定律。

這兩個缺陷非常嚴重。他的相對論是研究慣性系之間的關係的，也就是說，相對論是建立在慣性系的基礎上的。現在，這個「基礎」居然無法定義！另一方面，當時已知的力只有電磁力和萬有引力兩種，竟然其中的一種就放不進相對論的框架中，真是太令人遺憾了！

書名：看不見的星：黑洞與時間之河

作者：趙崢

出 版 社：清華大學出版社

定價：￥35.00

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