第六章 相对论的建立和发展

§6.1 历史背景

相对论是现代物理学的重要基石。它的建立是 20 世纪自然科学最伟大的发现之一，对物理学、天文学乃至哲学思想都有深远影响。

相对论是科学技术发展到一定阶段的必然产物，是电磁理论合乎逻辑的继续和发展，是物理学各有关分支又一次综合的结果。

在第五章中我们已经介绍了以太漂移实验的否定结果。这些结果促使人们对以太和绝对坐标系的存在产生怀疑。表 6−1 列举了 1908 年以前著名的一些以太漂移实验。

19 世纪后半叶，光速的精确测定为光速的不变性提供了实验依据。与此同时，电磁理论也为光速的不变性提供了理论依据。1865 年麦

克斯韦在《电磁场的动力学理论》一文中，就从波动方程得出了电磁波的传播速度。并且证明，电磁波的传播速度只取决于传播介质的性质。 1890 年赫兹把麦克斯韦电磁场方程改造得更为简洁。他明确指出，

电磁波的波速（即光速）c，与波源的运动速度无关。可见，从电磁理论出发，光速的不变性是很自然的结论。然而这个结论却与力学中的伽利略变换抵触。

为了解决这些矛盾，洛仑兹在 1892 年一方面提出了长度收缩假说， 用以解释以太漂移的零结果；另一方面发展了动体的电动力学。他假设以太是绝对静止的，从他的电磁理论推出了菲涅耳曳引系数。随后，又在 1895 年与 1904 年先后建立一阶与二阶变换理论，他力图使电磁场方程适用于不同的惯性坐标系。然而尽管他的理论能够解释一些理象，（例如能解释为什么探测不到地球相对于以太的运动），但却是在保留以太的前提下，采取修补的办法，人为地引入了大量假设，致使概念繁琐， 理论庞杂，缺乏逻辑的完备性和体系的严密性。

表 6−1 著名的以太漂移实验①

① 参看：郭奕玲、沈慧君，著名经典物理实验，北京科技出版社，1991 年，第二十三至二十七章。

法国著名科学家彭加勒（HenriPoincarè）对洛仑兹理论起过积极作用。他在 1895 年就对用长度收缩假说解释以太漂移的零结果表示不同看法。他提出了相对性原理的概念，认为物理学的基本规律应该不随坐标系变化。他的批评促使洛仑兹提出时空变换的方程式。1904 年彭加勒正式表述了相对性原理。他在一次演说中讲道：“根据这个原理，无论对于固定的观察者还是对于正在作匀速运动的观察者，物理定律应该是相同的。因此没有任何实验方法可以用来识别我们自身是否处于匀速运动之中。”彭加勒还对洛仑兹理论进行加工整理，使它的数学形式更加简洁。然而彭加勒也没有跳出绝对时空观的框架。他们已经走到了狭义相对论的边缘，却没有能够创立狭义相对论。历史的重任只能由没有传统思想包袱而有独立批判精神的年轻学者爱因斯坦来承担。