1979年,我国理论物理学家、相对论研究的资深专家张元仲先⽣出版了《狭义相对论实验基础》,这本经典著作曾⼴为中国物理学⼈研读。在张先⽣去世前⼏年,此书经他本⼈再次修订,⽬前得以再版。本书详细介绍了各种狭义相对论实验检验及结果,并在厘析历史事实⽅⾯做了精准解读,对正确理解物理学概念和理论发展起到关键性作⽤。
在分析实验⽅⾯取材⼴泛,涉及光学、天⽂学实验、⾼能物理、原⼦物理等多个领域,可为不同背景的专业⼈⼠提供实验基础解释。该书附录中包含的⼏篇澄清狭义相对论基本概念的研究论⽂,也有利于读者更好地学习和更准确理解相对论。
张元仲先⽣在书中详细讨论了坐标系与同时性定义的问题。狭义相对论和经典⼒学⼀样,是以惯性定律为基础的,就是说它只适⽤于惯性系。惯性系就是那些使惯性定律在其中有效果的坐标系。
惯性定律可以表述为:不受⼒的物体将保持静⽌或做匀速直线运动的状态。但是,何为“匀速”,并未给出严格的定义。因为我们只有对同时性给予明确⽆误的定义之后,才能描述物体的速度。事实上,“速度”并⾮直接测量量,它是空间的距离和时间间隔的⽐值。我们可以依靠标准尺应⽤欧⼏⾥得⼏何对空间任意两点的距离进⾏测量。空间中每⼀点的“当地时间”可以⽤置于该点的标准钟的读数给出。
然⽽这还不够,因为定义速度所需要的时间间隔是位于不同地点的两只时钟的读数之差。所以我们还得事先将这两只钟调得“同步”,即校准。这就需要不同地点时钟的同时性定义。
狭义相对论虽然改变了经典⼒学中的时空观念的某些绝对性,但并未从根本上变更。从某些意义上说,狭义相对论的时空观也是⼀种绝对的时空观。⾸先,惯性系的建⽴就需要事先有⼀个空虚的空间和离开物质⽽独⽴存在的时间。
说的绝对⼀点就是:如果物质消失了,还会剩下空间和时间作为表演物理事件的⼀种舞台。当我们考查⼀个物体在空虚空间中做匀加速运动时,我们同样会遇到经典⼒学中的概念问题:惯性运动和加速运动有着严格的区别;加速指的是“对于空间的加速度”,⽽惯性指的是对加速度的抵抗;这就是说,空间对物质发⽣作⽤,⽽物质对空间没有影响。这也就是⽜顿所说的“空间是绝对的”。
所以说,狭义相对论中的时间和空间虽然有了某种联系,但仍没有摆脱时空的绝对性(指不受物质影响)。⼴义相对论对这个问题给出了⾃⼰的回答:引⼒场由时空度规描写,时空度规的源是物质的能量——动量(张量),即物质决定时空;狭义相对论中的闵可夫斯基时空只不过是⼴义相对论中爱因斯坦⽅程的⼀种特殊的解,或者说它是由物质分布所决定的⼀种特殊形式的引⼒场,即系统的最低能态(真空态)。