伯格曼說相對論

幾乎所有的物理學(xué)定律都著眼于對空間中物體的活動情況隨時(shí)間而變化的描述。只有選定一個(gè)恰當(dāng)?shù)膮⒄瘴铮粋€(gè)物體的位置，或者一個(gè)事件發(fā)生的地點(diǎn)才有可能被清晰表達(dá)出來。例如，在阿脫武德機(jī)實(shí)驗(yàn)中，重物的速度與加速度的參照物是該機(jī)本身，實(shí)際上也是相對于地球而言的。天文學(xué)家可以將太陽系的重心作為參照系，以此描述行星的運(yùn)動。因此，所有的運(yùn)動都可以描述為在某一參照系下的運(yùn)動。

我們可以設(shè)想，有一個(gè)由桿構(gòu)成的架子，它與參照物連接在一起，并且延伸至空間當(dāng)中。如果將這個(gè)設(shè)想中的架子看成三維空間的笛卡爾坐標(biāo)系，那么，我們就能夠得到三個(gè)數(shù)來表示任一位置空間點(diǎn)的坐標(biāo)。我們把這樣與某參照物緊密連接的架子稱為參照系。

并不是所有的物體都適合作參照物。在相對論出現(xiàn)之前，人們就已意識到適當(dāng)選擇參照系的重要性了。17世紀(jì)后期的物理學(xué)之父伽利略，曾經(jīng)為了讓人們接受日心參照系這一學(xué)說，不惜冒著被監(jiān)禁甚至燒死的危險(xiǎn)也要將之廣為傳播。后來我們通過分析才明白，他與當(dāng)時(shí)專制勢力爭論的主題正是對參照物的選擇問題。

牛頓在后來的物理學(xué)概論中對此作出了詳細(xì)描述，才使人們普遍接受了日心參照系這一學(xué)說。然而，牛頓并沒有止步于此。為了證明有的參照系比其他參照系更適于描述自然形態(tài)，他設(shè)計(jì)了著名的水桶實(shí)驗(yàn)。首先他將水桶裝滿水，然后擰轉(zhuǎn)系著水桶的繩子，使得水桶旋轉(zhuǎn)起來。這時(shí)會發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水與水桶同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)時(shí)，它的表面將會由平面變成一個(gè)拋物面。當(dāng)水與水桶達(dá)到同等旋轉(zhuǎn)速率后，將水桶停下來，就會發(fā)現(xiàn)水面也慢慢地恢復(fù)成平面。

很顯然，上面水桶實(shí)驗(yàn)的參照系是地球。我們可以把水面的這種變化作這樣的描述：水在不轉(zhuǎn)動時(shí)呈現(xiàn)平面狀態(tài)，轉(zhuǎn)動時(shí)則為拋物面狀態(tài)。這種狀態(tài)的改變與桶的運(yùn)動狀態(tài)無關(guān)。

現(xiàn)在，我們設(shè)想一個(gè)以大小不變的角速度相對于地球轉(zhuǎn)動的參照系，且這個(gè)角速度就等于水桶的最大角速度值。我們從這個(gè)參照系的角度來觀察上面的整個(gè)實(shí)驗(yàn)：一開始，繩子、水桶以及水都以某一相等的角速度相對于這個(gè)參照系“轉(zhuǎn)動”，水保持平面狀態(tài)；接著，水桶與繩子慢慢停止“轉(zhuǎn)動”，于是水面就變成了拋物面；然后再將水桶與繩子相對于這個(gè)參照系“轉(zhuǎn)動”（對于地球這個(gè)參照系而言，水是靜止的），水又會慢慢變回平面狀態(tài)。對于這個(gè)參照系，我們可以用這樣的定律描述：只有當(dāng)水按照一定角速度“轉(zhuǎn)動”時(shí)，水面才會呈現(xiàn)平面狀態(tài)，但一當(dāng)偏離這個(gè)特殊運(yùn)動狀態(tài)，水面就無法保持平面了。它偏移的角度將與這個(gè)運(yùn)動的偏離程度成正比。也就是說，靜止的狀態(tài)也可能使水面呈現(xiàn)拋物面狀態(tài)，同樣，它與桶的轉(zhuǎn)動也沒有任何聯(lián)系。

牛頓的水桶實(shí)驗(yàn)很恰當(dāng)?shù)刈屛覀兠靼琢耸裁唇凶觥扒‘?dāng)?shù)摹眳⒖枷怠Ｈ魏芜x定的參考系都可以用來描述自然以及自然界的定律。然而，在所有這些參考系中，只有一個(gè)或者說少數(shù)是可以讓描述自然定律變得簡單的。換句話說，在這些少數(shù)的參考系中，自然定律比在其他參考系中包含的因素更少。我們還是以牛頓的水桶實(shí)驗(yàn)為例子，如果我們用后面那個(gè)與水桶相連的參考系來描述自然現(xiàn)象，那么，我們就必須在我們描述的物理定律前多加一個(gè)前提，那就是水桶相對于一個(gè)“更好的”參考系（例如地球），擁有一個(gè)角速度ω。

而在對行星的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行說明時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)日心參照系是比地心參照系更優(yōu)良更簡單的參照系。這也是為什么即使在開普勒和牛頓關(guān)于基礎(chǔ)定律的表述得到公認(rèn)之前，哥白尼和伽利略的描述已否定了托勒密描述的原因。

當(dāng)人們意識到參照系的選擇將對自然定律的形式造成影響時(shí)，許多人開始嘗試用數(shù)學(xué)形式來確定這種選擇的效果，對此他們進(jìn)行了許多研究和實(shí)驗(yàn)。

在物理學(xué)中，力學(xué)是最早以完整的數(shù)學(xué)定律來加以表述的。在所能夠想象到的所有參照系中，有一些能夠讓慣性定律以人們熟悉的形式呈現(xiàn)，即在沒有外力作用的情況下，一個(gè)質(zhì)點(diǎn)的空間坐標(biāo)與時(shí)間呈現(xiàn)線性函數(shù)關(guān)系。我們把這樣的參照系稱為慣性系。在同一個(gè)參照系中，我們將使用相同的形式描述其他所有的力學(xué)規(guī)律。而我們在采用其他的參照系時(shí)則需要考慮更多的因素，從而使物理和數(shù)學(xué)的描述都更為復(fù)雜，例如牛頓水桶實(shí)驗(yàn)就是這樣的。我們可以用任何其他的參照系來描述不受力作用的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動，但它們的慣性定律的數(shù)學(xué)表達(dá)式則要復(fù)雜許多，它們的空間坐標(biāo)將不再是時(shí)間的線性函數(shù)。

因?yàn)樵谒械膽T性參照系中，力學(xué)規(guī)律都采用了相同的形式，因此，我們無法從力學(xué)上觀察到參照系不同表現(xiàn)在物體本身上的差異。從力學(xué)的觀點(diǎn)看來，所有的慣性參照系都是等效的。我們將一個(gè)運(yùn)動物體與某一不受任何力作用的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動相比較，就可以判斷出這個(gè)運(yùn)動物體是“加速的”還是“未加速的”。同時(shí)，我們也知道，判斷一個(gè)物體是“靜止的”還是“勻速運(yùn)動的”，也完全取決于它所依賴的參照系，因此，“靜止”與“勻速運(yùn)動”并沒有任何絕對意義。但是，無論我們采用什么樣的參照系，我們所描述的自然現(xiàn)象都是等效的，這就是相對性原理。

麥克斯韋在發(fā)展他的電磁場方程組時(shí)，顯然沒有考慮到相對性原理，這造成了他的方程與相對性原理的沖突。因?yàn)榘凑针姶欧匠汤碚摚姶挪ㄔ谡婵罩械膫鞑ニ俣?span id="rfzecaa" class="italic">c是一個(gè)常量，約等于3×1010cm/s。但對于兩個(gè)彼此相對運(yùn)動的慣性系而言，這顯然并不真實(shí)，因?yàn)槿绻嬖谥@樣一個(gè)參照系，而使電磁輻射的速率在各個(gè)方向都測定為一個(gè)定值，那么，我們就可以用這個(gè)參照系來定義電磁輻射的“絕對靜止”和“絕對運(yùn)動”了。

不計(jì)其數(shù)的物理學(xué)家期望通過實(shí)驗(yàn)找出這樣的電磁輻射，并用它來判斷地球的運(yùn)動。然而，所有的努力最終都是徒勞的，相反，這些實(shí)驗(yàn)幾乎都表明了另外一個(gè)結(jié)論，那就是相對性原理不僅僅符合力學(xué)定律，對于電動力學(xué)定律也同樣適用。H.A.洛倫茲曾提出另外一種理論，在這個(gè)理論中，他接受了這個(gè)特殊參照系的存在，同時(shí)解釋了為什么這種參考系一直都未被實(shí)驗(yàn)所發(fā)現(xiàn)的原因。然而，在解釋時(shí)，他引入了另外一些假定，遺憾的是，這些假定也沒能被任何實(shí)驗(yàn)證實(shí)，所以他的理論也一直未能具備足夠的說服力。

愛因斯坦認(rèn)為，只有修正的空間—時(shí)間概念才有可能跨越理論與實(shí)驗(yàn)之間的鴻溝。如果這種修正成功了，那么相對性原理就對全部的物理學(xué)都適用了。這就是狹義相對論，它確立所有慣性系的基本等效性。在所有的參照系中，它保持了一個(gè)極為特殊的地位，直到廣義相對論出現(xiàn)，這一特殊的地位才得到解釋或破壞，才給出了全新的引力理論。討論廣義相對論會更為復(fù)雜，我也無須在此討論它。