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1907年，爱因斯坦撰写了关于狭义相对论的长篇文章《关于相对性原理和由此得出的结论》，在这篇文章中爱因斯坦第一次提到了等效原理，此后，爱因斯坦关于等效原理的思想又不断发展。他以惯性质量和引力质量成正比的自然规律作为等效原理的根据，提出在无限小的体积中均匀的引力场完全可以代替加速运动的参照系。爱因斯坦并且提出了封闭箱的说法：在一封闭箱中的观察者，不管用什么方法也无法确定他究竟是静止于一个引力场中，还是处在没有引力场却在作加速运动的空间中，这是解释等效原理最常用的说法，而惯性质量与引力质量相等是等效原理一个自然的推论。 狭义相对论为爱因斯坦所提出的理论, 这个理论的发展不但颠覆了物理学的研究方式, 并且对于绝对时间的概念造成冲击. 狭义相对论的大名, 也许大家都听过了, 不过我想大多数的人, 都只知道E=mc2这个质能互变公式, 而不知道狭义相对论的基本内容, 让我们叙述一下狭义相对论的基本假设吧. 狭义相对论包括的基本假设有两个 第一个是"所有的物理定律, 在各个不同的惯性座标系中都相同." 这里所指的物理定律, 是说物理定律的内容, 而不是物理定律所计算出的数值. 第二个是"光速为恒定的" 也就是说, 光速是一个常数(Constant). 我想第一个定律并没有创新的地方, 因为在古典的伽利略转换中, 大家都这样假设着. 而第二个假设的引入, 也使得狭义相对论的座标转换- 罗伦兹转换(Lorentz Transformation)与我们所熟悉的伽利略转换不同. 为什么爱因斯坦会提出"光速为恒定的"作为狭义相对论的基本假设呢? 这个论点, 是为了解决马克思威尔的电磁学方程式(Maxwell Equations)的问题. 如果我们利用伽利略转换, 将马克思威尔方程式从一个座标系转换到另一个座标系中, 那么我们会发现光速改变了. 但是在许多光速的实验中证明, 光速是恒定的, 因此这代表马克思威尔方程式, 或是伽利略转换这两者之一, 可能出了错. 这两个方程式任何一者出了错, 对于物理界都是个大灾难, 马克思威尔方程式在许多实验中表现良好, 不但预测了电磁波(光)的存在,而且对于电场磁场的描述也十分正确. 而伽利略转换则是一个再基本不过的东西, 一旦这个转换崩毁了, 许多基础都将动摇. 大家伤透了脑筋, 直到爱因斯坦的出现, 解决了这个问题. 爱因斯坦选择将光速为恒定的引入狭义相对论, 修正了伽利略转换, 也修正了牛顿力学, 一举解决了这个难题, 可说是一个大胆而划世纪创举. |
