爱因斯坦的对称性思考：相对论的诞生

物理组 卢炜

        他（爱因斯坦）完全确信，在理论物理学中寻找一个重要结果时，美是一个指导原则——邦迪

一、相对论诞生的背景

  19世纪末，经典力学、经典电动力学、经典热力学（加上统计力学）形成了物理世界的三大支柱。物理学形成了完整的科学体系，被誉为一座华丽而雄伟的殿堂。自然界的一切物理现象无一不能用他们来解释。1900年4月27日在世纪交接之际，享有“开尔文勋爵”称号的威廉·汤姆森在英国皇家学会上发表了名为《在光和热动力理论上空的19世纪乌云》的演讲。他的第一段话这么说：“动力学理论断言，热和光都是运动的方式。但现在这一理论的优美性和明确性却被两朵乌云遮蔽，显得黯然失色了……”。这两朵乌云分别指经典物理在光以太和麦克斯韦-玻尔兹曼能量均分学说上的难题。通俗一点讲就是我们仍然没办法解释迈克尔逊－莫雷实验和黑体辐射。其中迈克尔逊－莫雷实验催生了狭义相对论的诞生。

二、经典的伽利略相对性原理

  如果牛顿运动定律在某个参考系中成立，这个参考系就叫做惯性系，相对于惯性系匀速直线运动的另一参考系也是惯性系。1632年，伽利略已经在《关于两个世界的对话中》用他那有名的“萨尔维阿蒂大船”道出了一条重要的真理，即任何人无法从匀速直线行驶的大船中进行任何力学实验来确定船是在匀速直线运动还是静止。比如你竖直向上抛一个小球，小球依然会落在你的脚下。从天花板上滴下来的水依然低落在水滴落下来地方的正下方。结合人们的日常经验和观察很容易相信这样一个论述：“力学规律在任何惯性系中都是相同的”这一论述叫做伽利略相对性原理，又叫力学相对性原理。

 三、伽利略相对性原理与电磁规律

  （1）以太参考系的不对称。 当麦克斯韦用他那优美、对称、和谐的方程组统一了电磁现象的时候，爱因斯坦高人一筹的看出了高度对称的麦克斯韦方程组背后隐藏的一种不对称性。原来在麦克斯韦方程组里，有一个恒定不变的常数,即光速。不对称性的产生就源自这个光速。因为这样一个恒定的常数必然对应着一个特殊的参考系。麦克斯韦含糊地说这个特殊的参考系是：静止的以太。这样 “以太系”跟其他参考系就不等价，不对称。

  （2）伽利略相对性原理和电磁规律的不对称性。既然光速恒定，那么现在我们就可以通过光速来判定这艘船是静止的还是匀速直线运动的了。在以速度为的船上发射一束光，那么这束光的速度就是了！这个是由伽利略变化得到的。我们只要测定光的速度就能确定船的速度了，可这样电磁学相比力学就有了优越性。

  四、不对称的消除—相对论的诞生

    电磁规律本身的不对称性以及伽利略相对性原理和电磁规律的不对称性使得爱因斯坦感到极度的不满意。如果无论船是静止还是在运动测出光速都是，就可以带来经典力学和电磁学的对称。可这样就不得不放弃“伽利略变换”，这可是非常困难的，因为几百年来伽利略变换是牛顿力学的一个基础，几百年来伽利略变换都被证明是正确的。经过批判性的思考，爱因斯坦终于认识到“绝对时间是值得怀疑的”。他认为时间的概念与空间的概念一样只具有相对的意义，在崭新的时空概念下，以绝对时空观为前提的伽利略变换完全失效，提出了新的变换。

  （1）狭义相对性原理：在不同的惯性参考系中，一切物理规律都是相同的；

  （2）光速不变原理：真空中的光速在不同的参考系中都是相同的。

   爱因斯坦的狭义相对论在放弃了经典力学中伽利略变换的情况下，放弃了时间间隔和空间间隔守恒的对称性，但是这种对称性是小范围的。当光速不变提升为原理之后，麦克斯韦中以太参考系的优越地位不存在了，同时经典力学和电动力学之间的不对称性也就消除了。另外迈克尔逊-莫雷实验得到理论解释。然而物理规律只在惯性系中成立同样使爱因斯坦不满意，经过细致的思考，爱因斯坦推广了相对性原理，他认为：在任何参考系中，物理规律都是相同的，这就是广义相对性原理。