1、爱因斯坦狭义相对论一、牛顿时空观与力学相对性原理牛顿力学的基础是牛顿时空观。这种时空观的本质是把时间和空间看成与物质及其运动无关的独立存在。牛顿在自然哲学的数学原理中写道：“绝对的、真正的和数学的时间由于其本性而在均匀地，与任何其它外界事物无关地流逝着” ， “绝对的空间，就其本性而言，是与外界任何事物无关而永远是相同的和不动的” 。牛顿声称自己所研究的运动就是在“绝对空间”和“绝对时间”中进行的“绝对运动” 。只有以绝对时间和绝对空间作为量度运动的参照系，或者以其他做绝对运动的物体（系统）为参照系，惯性定律才成立。这样的参照系就是惯性系。在经典力学中联系两个惯性系 S 和 S(只在 X 方向
2、有相对速度 )之间的坐标变换是伽利略变换： 在这种变换下，物体的长度、两事件之间的时间间隔是绝对的，即相对不同参照系其数值是不变的。因而同时性也是绝对的，即在某一参照系不同地点同时发生的两个事件，相对于另一参照系也是同时发生的。时间间隔和同时性的绝对性，从伽利略变换看是不言而喻的。为说明物体长度的绝对性，我们来看一把沿 X 轴旋转的尺的长度的量度。设尺静止在 S上，在该系中其长度：LX 2X 1相对 S 系，尺在运动，由伽利略变换，尺和长度满足：LX 2 X1（X 2t 1）（ X1t 2）X 2X 1 L在伽利略变换下，物体的位置和速度则是相对的。例如，沿 X 方向的运动速度之间满足相加法则
3、：VV 或 V V而物体的加速度相对不同惯性系又是不同的，即：aa两物体的相对位置和相对速度也不因惯性系不同而改变，而力通常是两物体相对位置和相对速度的函数，质量在牛顿力学中被认为是与运动无关的恒量，于是牛顿运动定律的形式在不同惯性系下保持不变。这就是力学相对性原理。在以伽利略相对性原理为基础的经典力学中，我们要得到了这样的结论：时间和空间是绝对的、相互分离的；物体的大小与惯性参考系无关；时间的流逝不因惯性运动而改变；不同地点的同时性是绝对不变的。二、经典力学的困难（1）速度合成律中的问题伽利略相对性原理和他的坐标变换的重要的结论是速度的合成律。例如，一个人以速度u 相对于自己掷球，而他自己又
4、以速度 V 相对于地面跑动，则球出手时相对于地面的速度为vuV.按常识，这算法是天经地义的。但是把这种算法运用到光的传播问题上，就产生了矛盾。请看下面的例子。设想两个人玩排球，甲击球给乙。乙看到球，是因为球发出的（实际上是反射的）光到达了乙的眼睛。设甲乙两人之间的距离为 l，球发出的光相对于它的传播速度是 c，在甲即将击球之前，球暂时处于静止状态，球发出的光相对于地面的传播速度就是 c，乙看到此情景的时刻比实际时刻晚tl/c。在极短冲击力作用下，球出手时速度达到 V，按上述经典的合成律，此刻由球发出的光相对于地面的速度为 C+V，乙看到球出手的时刻比它实际时刻晚XX tY Y 或ZZttXX+
5、 tY YZZttt l/（c+V）.显然t t，这就是说，乙先看到球出手，后看到甲即将击球！这种先后颠倒的现象谁也没有看到过。会有人说，由于光速非常大，t 和 t的差别实在微乎其微，在日常生活中是观察不到的，这个例子没有什么现实意义。那么我们就来看另一个天文上的例子。1731 年英国一位天文学爱好者用望远镜在南方夜空的金牛座上发现了一团云雾状的东西。外形象个螃蟹，人们称它为“ 蟹状星云”（见图 81）。后来的观测表明，这只“螃蟹”在膨胀，膨胀的速率为每年 0.21.到 1920 年，它的半径达到 180.推算起来，其膨胀开始的时刻应在（1800.21 ）年=860 年之前，即公元 1060
6、年左右。人们相信，蟹状星云到现在是900 多年前一次超新星爆发中抛出来的气体壳层。这一点在我国的史籍里得到了证实。宋会要是这样记载的（见图 82）：“嘉佑元年三月，司天监言，客星没，客去之兆也。初，至和元年五月晨出东方，守天关。昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日”。这段话的大意如下：负责观测天象的官员（司天监）说，超新星（客星）最初出现于公元 1054 年（北宋至和元年），位置在金牛座 星（天关）附近，白昼看起来赛过金星（太白），历时23 天。往后慢慢暗下来，直到 1056 年（嘉佑元年）这位“客人”才隐没。当一颗恒星发生超新星爆发时，它的外围物质向四面八方飞散。也就是说，有些抛射物向
7、着我们运动（如图83 中的 A 点），有些抛射物则沿横方向运动（如图 8 3 中的 B 点）。如果光线服从上述经典速度合成律的话，按照类似前面对排球运动的分析即可知道，A 点和 B 点向我们发出的光线传播速度分别为 c+V 和 c，它们到达地球所需的时间分别为 t=l/（c+V ）和 t=l/C，沿其它方向运动的抛射物所发的光到达地球所需的时间介于这二者之间。蟹状星云到地球的距离l 大约是 5 千光年，而爆发中抛射物的速度 V 大约是 1500km，用这些数据来计算，t 比 t 短25 年。亦即，我们会在 25 年内持续地看到超新星开始爆发时所发出的强光。而史书明明记载着，客星从出现到隐没还不
8、到两年，这怎么解释？（2）以太风实验的零结果大海中轮船激起波浪的传播速度只与洋流的速度有关，而与轮船的航速无关。这给上述问题提供了另一种可能的解释，即超新星发出的光，其传播速度与爆发物的速度无关，只与传播介质的运动状态有关。于是上述矛盾不复存在。不过，一个新的问题又产生了，那个传播光线的“海洋 ”是什么？按照旧时的看法，是一种叫做“ 以太（ aether）”的物质。海浪的传播速度固然与波源的运动无关，但相对于观察者的传播速度却与波源相对于海洋的速度有关。在我们所讨论的问题里，在茫茫以太的海洋中漂泊的观察者乘坐的航船是地球，地球以怎样的速度在以太的海洋里航行？也许更准确的说法应该把以太比喻做无处
9、不在的大气，在其中飞行的地球上应感到迎面吹来的以太风。在以太风的参考系中光沿各个方向的传播速率皆为c，设地球在以太风中的速率为 v，则按伽利略的速度合成律，对地球参考系来说，光的传播速度应为 cv ，于是沿前后两个方向光的传播速率分别为 cv 和 cv，沿左右两个方向光的传播速率则为 。如果有以太风存在，精密的光学实验是可以把这种差别测量出2来的。1881 年迈克耳孙（A.A.Michelson）用他自己著名的干涉仪做了这类实验，没有观察到以太漂移的结果。1887 年他与莫雷（E.W.Morley）以更高的精度重新做了这类实验，仍得到零结果，即测不到想象中的“以太风”对光速产生的任何影响。（3
10、）电磁现象不服从伽利略相对性原理按照伽利略的描述，在一艘封闭的大船内，只要船保持匀速匀速直线运动，你就在这条封闭的大船里观察不到任何能判断船是否行进的的现象。要知道，我们的地球就是一条在“以太”中行进的封闭大船。但是伽利略提到的都是力学现象，若涉及电磁现象，情况就不一样了。设想在一刚性短棒两端有一对异号点电荷q，与船行进的方向成倾角 放置。在船静止时，两电荷间只有静电吸引力 fE 和 fE，它们沿二者的联线，对短棒不形成力矩。如果大船以速度v 匀速前进，正、负电荷的运动分别在对方所在处形成磁场 B 和 B，方向如图 85b 所示，垂直于纸面向里，使对方受到一个磁力（洛伦兹力）f M 和 fM，
11、方向如图所示。这一对磁力对短棒形成力矩，使之逆时针转动。这样一来，我们不就能够判断大船是否在行进了吗？1902到 1903 年间特鲁顿（F.T.Trouton ）和诺贝尔（M.R.Noble）做了这类实验以检验地球是否与以太有相对运动，获得的也是零结果。这就是说，用电磁理论与经典力学来分析，伽利略相对性原理本应对电磁现象失效，但实验表明，利用电磁现象仍无法知道，我们这条在以太中的萨尔维阿蒂大船是否在漂移。（4）质量随速度增加按照牛顿力学，物体的质量是常量。但 1901 年考夫曼（W.Kaufmann）在确定镭 C 发出的 射线（高速运动的电子束）荷质比 e/m 的实验中首先观察到，电子的荷质比
12、 e/m 与速度有关。他假设电子的电荷 e 不随速度而改变，则它的质量 m 就要随速度的增加而增大。这类实验后来为更多人用愈来愈精密的测量不断地重复着。三、相对论的两个基本假设爱因斯坦说：“相对论的兴起是由于实际需要，是由于旧理论中的矛盾非常严重和深刻，而看来旧理论对这些矛盾已经没法避免了。新理论的好处在于它解决这些困难时，很一致，很简单，只应用了很少几个令人信服的假定。 ”当别人忙着在经典物理的框架内用形形色色的理论来修补“以太风” 的学说时，爱因斯坦另辟蹊径，提出两个重要假设来： 第一个：所有惯性参照系中的物理规律是相同的。物体的位移、速度以及电场强度、磁感应强度等物理量有可能因为所选择参
13、考系的不同而不同，但是它们所遵从的物理规律却是同样的。也就是说，在一切惯性系中物理定律的数学形式完全相同。第二个：真空中的光速相对任何观察者来说都是相同的。光速与光源、观测者间的相对运动没有关系。爱因斯坦提出这个假设是非常大胆的。下面我们即将看到，这个假设非同小可，一系列违反“常识”的结论就此产生了。3.1 同时性的相对性何谓两地的事件同时发生？譬如说，来自银河中心的引力波信号“同时”激发设在北京和广州的引力波探测天线，我们怎样知道引力波是“同时”到达两地的呢？也许有人说，这还不简单，两地的人都看看钟就行了。于是，问题就化为如何把两地的钟对准的问题。按现代的技术水平，这将通过电台发射无线电报时
14、讯号来实现。但电磁波是以光速传播的，报时讯号从北京传到广州需要时间。这段时间差按日常生活的标准来看当然是微不足道的，然而对于同样以光速传播的引力波来说，这段时间内它已飞越了 2000 多公里。对于精密的科学测量来说，对钟的时候这段时间差是要经过严格校准的。爱因斯坦根据他提出的光速不变原理，提出一个异地对钟的准则。假定我们要对 A、B两地的钟，则在 AB 联线的中点 C 处设一光讯号发射（或接收）站。当 C 点接收到从 A、B发来的对时光讯号符合时，我们就断定 A、B 两钟对准了。当然也可以由 C 向 A、B 两地发射对钟的光讯号，A、B 收到此讯号的时刻被认定是“同时”的。以上的“同时性” 判
15、断准则适用于一切惯性系，于是就产生了这样的问题：同一对事件，在某个惯性参考系里看是同时的，是否在其它惯性参考系里看也同时？“常识”和经典物理学告诉我们，这是毋庸置疑的。但有了爱因斯坦的光速不变原理，这结论将不成立。为了说明这一点，爱因斯坦提出了一个理想实验。设想有一列火车相对于站台以匀速 V 向右运动，如图 86 所示。当列车的首、尾两点 A、B 与站台上的 A、B 两点重合时，站台上同时在这两点发出闪光；所谓“同时” ，就是两闪光同时传到站台的中点 C.但对于列车来说，由于它向右行驶，车上的中点 C先接到来自车头 A（即站台上的 A）点的闪光，后接到来自车尾 B（即站台上的 B）点的闪光。于
16、是，对于列车上的观察者 C来说， A 的闪光早于 B，而对于站台上的 C 来说，则同时接到 A 的闪光和 B 的闪光。这就是说，对于站台参考系为同时的事件，对列车参考系不是同时的，事件的同时性因参考系的选择而异，这就是同时性的相对性。为了把问题描绘得更尖锐一点，我们不妨将上述理想实验发展一下，进一步假设，在站台上 A、B 两点同时发出闪光的那一刹那，另有一列相同的火车以速度V 向左行驶，且其车头 B和车尾 A恰好分别与站台上的 B、A 重合（见图 87）。用同样的分析可知，这列车的中点 C先接到来自车头 B（即站台上的 B）点的闪光，后接到来自车尾 A（即站台上的 A）点的闪光。于是，对于这列
17、车上的观察者 C来说， A 的闪光迟于 B.如果发自站台上A、B 点的闪光不是一般的光讯号，而是两个人相对开枪射击发出的火光，在谁先开枪的问题上，目击者 C和 C在法庭上将提供相反的证词。这不成了“公说公有理，婆说婆有理”，没有统一的是非标准了吗？以后我们会看到（4.1 节），问题没有那么严重，因为无论哪个参考系中的观察者都不会得出这样的结论：A 、B 之中的某人是在看到对方开枪的火光之后才开枪的。亦即，事件之间的因果关系不会混淆！3.2 长度的相对性上面我们谈的是时间的相对性问题，除此之外，光速不变原理还会带来空间长度的相对性问题。那就是说，同一物体的长度，在不同的参考系内测量，会得到不同的
18、结果。通常，在某个参考系内，一个静止物体的长度可以由一个静止的观测者用尺去量；但要测量一个运动物体的长度就不能用这样的办法了。让物体停下来量吗？不行，因为这样量得的是静止物体的长度；追上去量吗？也不行，因为这样量出来的是在与物体一起运动的那个参考系中物体的长度，仍旧是该物体静止时的长度。合理的办法是：记下物体两端的“同时”位置，如图86 中站台上的 A、B，然后去量它们之间的距离，就是运动着的火车的长度。如前所述，A、B 两点只对于站台参考系来说是同时的，对列车参考系来说，A与 A 重合在先，B与 B重合在后，所以列车上的观察者认为，长度 AB 小于列车在 K系中的长度 AB。这便是长度相对性
19、的由来。再把问题描绘得尖锐些，假定从 A 到 B 刚好是一段隧道，在地面参考系中看，隧道与列车等长；然而在列车参考系中看，列车比隧道长。若有人问：这两个说法同样真实吗？如果当列车刚好完全处在隧道以内时，在隧道的出口 A 和入口 B 处同时打下两个雷，躲在隧道里的列车安然无恙吗？如果说列车能够免于雷击，则“列车比隧道长”的说法，岂非不真实吗？要正确地理解这个问题，即“长度的相对性”问题，关键仍旧是那个“同时的相对性”。你说“ 同时打下两个雷” ，对谁同时？当然应该是对地面参考系同时。那么，从任何参考系观测，列车都可幸免于雷击。从地面参考系观测固然没有问题，从列车参考系观测：出口 A 处的雷在先，
20、这时车头尚未出洞，车尾虽拖在洞外，而那里的雷尚未到来（图 88a）；入口 B 处的雷在后，这时车尾已缩进洞内，车头虽已探出洞外，而那里的雷已打过（图 88b）。结论依然是：列车无恙。可见，由长度相对性引起表面相互矛盾的说法，只不过是同一客观事物的不同反映和不同描述而已。以后我们把与物体相对静止的参考系中测出的长度 叫做物体的长度，BAL0以区别于它运动时的长度。应当指出，长度的相对性只发生在平行于运动的方向上，在垂直于运动的方向上没有这个问题。为了说明这一点，看图 89 中的例子。为了测量列车的高度 AD ，地面观测者可用一竖立的杆在车厢经过时同时记下 AD 两点在杆上的位置 A、D，AD 即
21、为车高。按照以前所述的对钟办法，若从 A、D 两点发出的光讯号同时到达其中点 C 的话，它们也会同时到达 A、D的中点 C。亦即，在地面参考系 K 中校准了放在 A、D 两点的钟，在列车参考系 K观测也是同步的，从而车上的观测者认为 A、A和 D、D是同时对齐的。于是，AD=AD，即在两参考系内测量的横向的长度是一样的。四、时间膨胀和长度收缩4.1 时间的膨胀前面我们只对时空相对性作了定性的讨论，下面推导一些定量化的公式。看另外一个理想实验。假定列车（K系）以匀速 V 相对于路基行驶，车厢里一边装有光源，紧挨着它有一标准钟。正对面放置一面反射镜 M，可使横向发射的光脉冲原路返回（见图 810a
22、）。设车厢的宽度为 b，则在光脉冲来回往返过程中，车上的钟走过的时间为 cbt2从路基（K 系）的观点看，由于列车在行进，光线走的是锯齿形路径（图 810b），光线“来回”一次的时间为： 22)(tvclt注意，这里用到了在两参考系中车厢的宽度 b 一样的性质。由两式消去 b，得 t和 t之间的关系： trtcvtt 221式中 ， 2t小于 ，故112r， t这就是说，在一个惯性系（如上述 K 系）中，运动的钟（如上述列车里的钟）比静止的钟走得慢。这种效应叫做爱因斯坦延缓，时间膨胀，或钟慢效应。必须指出，这里所说的“钟” 应该是标准钟，把它们放在一起应该走得一样快。不是钟出了毛病，而是运动参
23、考系中的时间节奏变缓了，在其中一切物理、化学过程，乃至观察者自己的生命节奏都变缓了。因而在运动参考系里的人认为一切正常，并不感到自己周围发生的一切变得沉闷呆滞。还必须指出，运动是相对的。在地面上的人看高速宇宙飞船里的钟慢了，而宇宙飞船里的宇航员看地面站里的钟也比自己的慢。今后我们把相对于物体（或观察者）静止的钟所显示的时间间隔 叫做该物体的固有时间。（8.1）式中的 t就是列车里乘客的固有时间 ，故tr. （8.1）在日常生活中爱因斯坦延缓是完全可以忽略的，但在运动速度接近于光速时，钟慢效应就变得重要了。在高能物理的领域里，此效应得到大量实验的证实。例如，一种叫做 子的粒子，是一种不稳定的粒子
24、，在静止参考系中观察，它们平均经过 210-6S（其固有寿命）就衰变为电子和中微子。宇宙线在大气上层产生的 子速度极大，可达V2.99410 8m/S0.998c 。如果没有钟慢效应，它们从产生到衰变的一段时间里平均走过的距离只有（2.99410 8m/s）（210 -6S）600m，这样， 子就不可能达到地面的实验室。但实际上 子可穿透大气 9000 多米。试用钟慢效应来解释：以地面为参考系子的“运动寿命”为 sscv5262 10.398.01按此计算， 子在这段时间通过的距离为（2.99410 8M/S）（3.1610 -5S）9500m，这就与实验观测结果基本上一致了。4.2 长度收缩
25、现代化的方法测量一个物体的长度可以不用尺，而用激光。为了在相对静止的参考系 K内测量一直杆的长度，可在直杆的一端加一脉冲激光器和一接收器，另一端设一反射镜，如图 811a 所示。精密测得光束往返的时间间隔 t后，即可得知直杆的长度L=L0ct/2. （8.3）怎样找到有相对运动的参考系 K 中测得直杆的长度 L 与它的固有长度 L0 之间的关系呢？首先要弄清楚什么是不变的，什么是可比的。按照光速不变原理，光速 c 是不变的。另外，根据（8.1）式，从 K 系观测上述测量过程的时间间隔 t与在 K系本身里的时间间隔 t是可比的： 21cvtt式中 V 为直杆在 K 系中的速度。下面我们就来看，此
26、测量过程在 K 系里是怎样表现的，并从中找到 t和 L 的关系。在 K 系中观测，光束往返的路径长度 d1 和 d2 是不等的，从而所需的时间 t1 和 t2 也不等。设直杆以速度 V 沿自身长度的方向运动，它在时间间隔 t1 内走过距离 Vt1（见图811b），故（见图 811c），由此得这便是我们要找的 t和 L 的关系式。与（ 8.3）式比较，有由于上式里的根式小于 1，这就是说，物体沿运动方向的长度比其固有长度短。这种效应叫做洛伦兹收缩，或尺缩效应。在 1.3 节所举的 子例子里， 子以 V0.998 c 的速度垂直入射到大气层上，已知它衰变前通过的大气层厚度为 L=9500m，在 子
27、本身的参考系看来，这层大气有多厚呢？因为对于 子来说，大气层是以速度-V 运动的，按洛伦兹收缩公式（8.5），其厚度为这正是原先预期的结果。阅读材料：宇宙执法者的历险宇宙执法者 AD 在 A 行星上被邪恶的 EN 博士所擒。EN 博士给 AD 喝了一杯 13 小时后发作的毒酒，并告诉 AD 解药在距此 40，000，000，000 公里远的 B 行星上。AD 得知此情况后立即乘上其 0.95 倍光速的星际飞船飞往 B 星，那么： AD 能到达 B 星并取得解药吗？ 我们做如下的计算：A、B 两行星之间的距离为 40，000，000，000 公里。飞船的速度是1，025，000，000 公里/小
28、时。把这两个数相除，我们得到从 A 行星到 B 行星需要 39 小时。那么 AD 必死无疑。等一下！这只对于站在 A 行星上的人而言。由于毒药在 AD 的体内是要经过新陈代谢（才能发作）的，我们必须从 AD 的参照系出发研究这一问题。我们可以用两种方法做这件事情，它们将得到相同的结论。1. 设想一个大尺子从 A 行星一致延伸到 B 行星。这个尺子有 40，000，000，000 公里长。然而，从 AD 的角度而言，这个尺子以接近光速飞过他身边。我们已经知道这样的物体会发生长度收缩现象。在 AD 的参照系中，从 A 行星到 B 行星的距离以参数 在收缩。在95的光速下， 的值大约等于 3.2。因
29、此 AD 认为这段路程只有 12，500，000，000 公里远（400 亿除以 3.2）。我们用此距离除以 AD 的速度，得到 12.2 小时，AD 将提前将近 1 小时到达 B 行星！2. A 行星上的观察者会发现 AD 到达 B 需要花费大约 39 小时时间。然而，这是一个膨胀后的时间。我们知道 AD 的“钟” 以参数 （3.2）变慢。为了计算 AD 参照系中的时间，我们再用 39 小时除以 3.2，得到 12.2 小时。（也）给 AD 剩下了大约 1 小时（这很好，因为这给了 AD20 分钟时间离开飞船，另外 20 分钟去寻找解药）。 AD 将生还并继续与邪恶战斗。如果对上文中我的描述
30、加以仔细研究，你会发现许多似是而非，非常微妙的东西。当你深入地思考它的时候，一般你最终将提出这样一个问题：“ 等一下，在 AD 的参照系中，EN的钟表走得更慢了，因此在 AD 的参照系中，宇宙旅行应花费更长的时间，而不是更短好，这就是我们刚刚看到的。我们已经发现在 AD 相对于 EN 参照系旅行中的时间膨胀。在 EN 参照系中，AD 是运动的，因此 AD 的钟走得慢。结果是在此次飞行中 EN 的钟走了39 小时，而 AD 的钟走了 12 小时。这常常使人们产生这样的问题：相对于 AD 的系，EN 是运动的，因此 EN 的钟应该走得慢。因此当 AD 到达 B 行星的时候，他的钟走的时间比 EN的
31、长。谁对？长还是短？好问题。当你问这个问题的时候，我知道你已经开始进入情况了。在开始解释之前，我必须声明在前文所叙述的事情都是对的。在我所描述的情况下，AD 可以及时拿到解药。现在让我们来解释这个徉谬。这与我尚未提及的“同时性”有关。相对论的一个推论是：同一参照系中的两个同时（但不同地点）发生的事件相对于另一个参照系不同时发生。让我们来研究一些同时发生的事件。首先，让我们假设 EN 和 AD 在 AD 离开 A 行星时同时按下秒表。按照 EN 的表，这趟 B 行星之旅将花费 39 小时。换言之，EN 的表在 AD 到达 B 行星时读数为 39 小时。因为时间膨胀， AD 的表与此同时读数为 1
32、2.2 小时。即，以下三件事情是同时发生的：1、EN 的表读数为 392、AD 到达 B 行星3、AD 的表读数为 12.2这些事件在 EN 的参照系中是同时发生的。现在在 AD 的参照系中，上述三个事件不可能同时发生。更进一步，因为我们知道 EN的表一定以参数 减慢（此处 大约为 3.2），我们可以计算出当 AD 的表读数为 12.2 小时的时候，EN 的表的读数为 12.2/3.23.8 小时。因此在 AD 的系中，这些事情是同时发生的：1、AD 到达 B 行星2、AD 的钟的读数为 12.23、EN 的钟的读数为 3.8前两项在两个系中都是相同的，因为它们在同一地点B 行星发生。两个同一
33、地点发生的事件要么同时发生，要么不同时发生，在这里，参照系不起作用。从另一个角度看待此问题可能会对你有所帮助。你所感兴趣的事件是从 AD 离开 A 行星到 AD 到达 B 行星。一个重要的提示：AD 在两个事件中都存在。也就是说，在 AD 的参照系中，这两个事件在同一地点发生。由此，AD 参照系的事件被称作 “正确时间”，所有其他系中的时间都将比此系中的更长（参见时间膨胀原理）。不管怎样，如果你对 AD 历险中的时间膨胀感到迷惑，希望这可以使之澄清一些。如果你原本不糊涂，那么希望你现在也不。阅读材料：孪生子效应让我们畅想一下乘接近光速的光子火箭去作星际旅游。离我们最近的恒星（南门二）有4 光年
34、之遥，来回至少 8 年多。“天阶夜色凉如水，坐看牵牛织女星。”牛郎星远 16 光年，织女星远 26.3 光年，一来一回就得三五十年，若天假其年，在一个人有生之日还来得及造访一次。但要跨出银河系，到最近的星系（小麦哲伦云）也要 15 万光年，今生今世不必问津了。以上说法对吗？否！那是经典力学的算法，它只适用于地球参考系。考虑时间的相对性，光子火箭里乘客的固有时比这要短 r1 倍。只要火箭的速度 V 可以无限趋近光速 c，r 可以趋于 ，无论目标多远，乘客在旅途上花费的固有时间原则上可以任意短。问题是，当他们回来的时候将看到什么？设想一对年华正茂的孪生兄弟，哥哥告别弟弟，登上访问牛郎织女的旅程。归
35、来时，阿哥仍是风度翩翩一少年，而前来迎接他的胞弟却是白发苍苍一老翁了。这真应了古代神话里“天上方一日，地上已七年”的说法！且不问这是否可能，从逻辑上说得通吗？按照相对论，运动不是相对的吗？上面是从“天”看“ 地 ”，若从“ 地”看“天”，还应有“地上方一日，天上已七年”的效果。为什么在这里天（航天器）、地（地球）两个参考系不对称？这便是通常所说的“孪生子佯谬（twin paradox）”。从逻辑上看，这佯谬并不存在，因为天、地两个参考系的确是不对称的。从原则上讲，“地”可以是一个惯性参考系，而 “天”却不能。否则它将一去不复返，兄弟永别了，谁也不再有机会直接看到对方的年龄。“天”之所以能返回，
36、必有加速度，这就超出狭义相对论的理论范围，需要用广义相对论去讨论。广义相对论对上述被看作“佯谬”的效应是肯定的，认为这种现象能够发生。然而，实际上“孪生子” 效应真的可能吗？真人作星际旅游，在今天仍是科学幻想；但在有了精确度极高的原子钟时代，用仪器来做模拟的“孪生子”实验已成为可能。实验是 1971 年完成的：将铯原子钟放在飞机上，沿赤道向东和向西绕地球一周，回到原处后，分别比静止在地面上的钟慢 59ns 和快 273ns（1ns 等于 109S）。因为地球以一定的角速度从西往东转，地面不是惯性系，而从地心指向太阳的参考系是惯性系（忽略地球公转）。飞机的速度总小于太阳的速度（即在该点地心参考系
37、相对于地面参考系的速度），无论向东还是向西，它相对于惯性系都是向东转的，只是前者转速大，后者转速小，而地面上的钟转速介于二者之间。上述实验表明，相对于惯性系转速愈大的钟走得愈慢，这和孪生子问题所预期的效应是一致的。上述实验结果与广义相对论的理论计算比较，在实验误差范围内相符。因而，我们今天不应再说“孪生子佯谬” ，而应改称孪生子效应了。五、洛仑兹变换与速度变换5.1 洛伦兹变换公式现在我们来讨论一个事件的时间和空间坐标在不同惯性系之间的变换关系。伽利略变换式就是这类的变换关系，不过它只适用于牛顿力学，不保证光速的不变性。下面我们要推导的变换关系以光速不变原理为依据，是相对论的坐标变换关系。假设
38、有一个惯性参考系 K，在其中取一个空间直角坐标系 Oxyz，并在各处安置一系列对 K 系静止，且对 K 系来说是对准了的钟（我们把这些钟称作 K 钟） 。在参考系 K 中一个事件用它的空间坐标（x，y，z）和时间坐标 t（即在该地点 K 钟的读数）来描写。类似地，对于另一个惯性参考系 K，也在其中取一个空间直角坐标系 Oxyz，并在各处安置一系列对 K系静止的，且对 K系来说是对准了的钟（K钟） 。在参考系 K中，一个事件用它的空间坐标（x，y，z）和时间坐标 t（该地点K钟的读数）来描写。为简明起见，设两坐标原点 O、O在 t=t0 时刻重合，且 K系以匀速 V 沿彼此重合的 x和 x轴正方
39、向运动，而 y 和 y轴、z 和 z轴保持平行（见图 812） 。于是 tO设在 x、x 轴上的 A 点发生一事件，对 K 系来说 A 点的坐标为式中的根式是由于 K系以速度 V 相对于 K 系运动而出现的尺缩因子，于是有从中可将 x解出来：因为 K 系和 K系的运动是相对的，若把上式里的 V 换为-V，带撇的量和不带撇的量对调，我们就得到从 K 系到 K系的逆变换关系：从以上两式消去 x：由此解出 t：如果 A 点不在 x、x轴上，则由于垂直方向长度不变，我们有 y=y，z=z. 综上所述，我们得到从 K 系到 K系空间、时间坐标的变换关系：以上便是著名的洛伦兹变换方程。易见，在 Vc六、相
40、对论的动量与能量6.1 动量、质量与速度的关系在相对论中我们仍定义，一个质点的动量 p 是一个与它的速度 v 同方向的矢量，故仍把它写成pmv， （8 16 ）我们把上式中动量与速度的比例系数 m 仍定义为该质点的质量，不过，由于在数量上p 不一定与 v 有正比关系，我们把对此的偏离都归结到比例系数 m 内，即假设质量 m 是速度的函数。由于空间各向同性，我们认为 m 只依赖于速度的大小 v，而不再与它的方向有关，即mm （v） ， （817）且当 vc0 时，m经典力学中的质量 m0（称为静质量） 。下面考查一个例子 全同粒子的完全非弹性碰撞。如图 8-19 所示，A、B 两个全同粒子正碰后
41、结合成为一个复合粒子。我们从 K、K两个惯性参考系来讨论这个事件：在 K 系中B 粒子静止，A 粒子的速度为 v，它们的质量分别为 mB=m0 和 mAm（v） ；在 K系中 A 粒子静止，B 粒子的速度为-v，它们的质量分别为 mA=m0 和 mBm（v ） 显然，K系相对于 K 系的速度为 v设碰撞后复合粒子在 K 系的速度为 u，质量为 M（u） ；在 K系的速度为 u，由对称性可以看出，u-u，故复合粒子的质量仍为 M（u） 。根据守恒定律，我们有质量守恒：m（v）m 0M（u） ， （818）动量守恒：m（v）v M（u）u （819 ）另一方面，根据相对论的速度合成公式（811）
42、，我们有由此解得因 uv，负号应舍。将正号的解代入（8 20 ）式右端，得这是相对论中非常重要的质速关系，图 8-20 中给出了它的曲线，并附有图上列了名的几位早年作者的实验数据点。根据此式和（816）式，我们立即可以写出动量的完整表达式：如图 8-16 所示，在物体的速度不大时，质量和静质量 m0 差不多，基本上可以看作是常量。只有当速率接近光速 c 时，物体的质量 m（v）才明显地迅速增大。此时相对论效应开始变得重要起来。由（8.21 ）式和图 8-16 可见， =vc1 时，质量 m（v ）迅速趋向无穷。这就是说，物体的速度愈接近光速，它的质量就愈大，因而就愈难加速。当物体的速率趋于光速
43、时，质量和动量一起趋于无穷大。所以光速 c 是一切物体速率的上限。如果 v 超过 c，质速公式（8 21）给出虚质量，这在物理上是没有意义的，也是不可能的。例题 3 施恒力 F 将一个静止质量为 m0 的粒子从静止状态加速，若 Fm 00.5cs，求t0 ，0.1，0.2 ，0.3，0.4，0.5 ，0.6 ，0.7，0.8 ，0.9，1.0s 时粒子的速度和动能。解：t 时刻粒子的动量为由此解得动能为将用这些公式计算的结果和相应的经典值列于下表：6.2 力、功和动能我们在牛顿力学里把力定义为动量的时间变化率，这个定义是可直接推广到相对论中的。这是牛顿第二定律在相对论中的推广。我们假定在相对论
44、中，功能关系仍具有牛顿力学中的形式。物体的动能 Ek。等于外力使它由静止状态到运动状态所作的功：即 Ek=（ mm 0）c 2 （824）这便是相对论的质点动能公式，它等于因运动而引起质量的增加 mm-m 0 乘以光速的平方。在 v2c 2 1 的情况下，将此式作泰勒级数展开：忽略高次项，就是我们所熟悉的牛顿力学动能公式。6.3 质能关系在能量较高的情况下，微观粒子（如原子核、基本粒子）相互作用时导致分裂、聚合、重新组合等反应过程。以一个不稳定的原子核裂变为例，假定质量为 M 的母核分裂为一系列质量为 mi（i1，2，）的碎片。在母核静止的参考系内看，碎片朝四面八方飞散，各获得一定的速度 vi
45、 和动能Eki=mi（v i）-m i0c2，碎片获得的总动能为由于反应前后质量守恒：上式右端括弧里是反应前母校的静质量 M0 与反应后产物的总静质量中获得的总动能，等于质量亏损乘上光速 c 的平方。在上述核反应过程中机械能（在这里就是动能）从无到有，是不守恒的。但是人们总希望找到一种表述，让系统的总能量保持守恒。在普通的炮弹爆炸时，我们说，碎片的动能来自于炸药的化学能。把化学能计算在内，爆炸前后的总能量是守恒的。在上述核爆炸的过程中，碎片的动能从哪里来？上式表明，它来自于质量亏损。质量亏损算什么能量？这是在相对论创立以前人们所不知道的一种能量。为了使上述核反应过程中总能量守恒，我们必须承认，
46、一个物体的静止质量 m0 乘以光速 c 的平方，也是能量。这种能量叫做物体的静质能。静质能是每个有静质量的物体都有的，哪怕它处于静止状态。对于一个以速率 v 运动的物体，其总能量 E 为动能与静质能之和：E=Ekm 0c2，这公式叫做质能关系，它把“质量”和“ 能量”两个概念紧密地联系在一起。光速 c 3108ms，按质能关系计算， 1 千克的物体包含的静质能有 91016 焦耳，而 1千克汽油的燃烧值为 4.6107 焦耳，这只是其静质能的二十亿分之一（510 -10） 。可见，物质所包含的化学能只占静质能的极小一部分，而核能（通常叫做“原子能” ）占的比例就大多了。例如铀 235 本身的质
47、量约为 235 原子质量单位，而裂变时释放的能量可达 200MeV，这约相当于 15 原子质量单位的质量亏损，占它总静质能的 8.510-410- 3，比例比化学能大了六个多数量级。这就是为什么原子能是前所未有的巨大能源。爱因斯坦建立的相对论推出了“Emc 2”这样一个简短的公式，为开创原子能时代提供了理论基础。所以人们常把此式看作是一个具有划时代意义的理论公式，在各种场合印在宣传品上，作为纪念爱因斯坦伟大功绩的标志。6.4 相对论动量和能量的关系为了找到能量和动量之间的关系，我们取（821）式的平方：乘以 c2（c 2v 2） ，得m2c4m 2v2c2=m02c4上式左端第一项为 E2，第
48、二项为 p2c2，故得这便是相对论的能量动量关系。 （8.26）式可用如图 8-21 所示的动质能三角形来表示。这是个直角三角形，底边是与参考系无关的静质能 m0c2，斜边为总能量 E，它随正比于动量的高 pc 的增大而增大。在 vc 的极端情形下，Epc （极端相对论情形） 。有些微观粒子，如光子、中微子，是没有静质量的，因而也没有静质能。它们没有静止状态，一出现，速率总是 c它们有一定的能量 E，令（ 826 ）式中的 m00，得这类粒子动量的大小与能量的关系式：当然我们也可以根据质能关系定义它们的动质量 m=Ec 2，但这类粒子的速率 c 是不变的，质量丧失了惯性方面的含义，几乎成了能量的同义语。一个电子和一个正电子遇到一起，可以湮没，变成两个 光子。这是静质能全部转化为动能的例子。练习题1、两粒子静止质量为 m 以速度 0.6c 迎头相撞。 撞后粘在一起。求撞后总质量 M。答案：M=2.5m2、一艘以 0.9c 的速率离开地球的宇宙飞船，以相对于自己
