狹義與廣義相對論淺說 · 16．經驗和狹義相對論

狹義相對論在多大的程度上得到經驗的支持呢？這個問題是不容易回答的，不容易回答的理由已經在敘述斐索的重要實驗時講過了。狹義相對論是從麥克斯韋和洛倫茲關於電磁現象的理論中衍化出來的。因此，所有支持電磁理論的經驗事實也都支持相對論。在這裡我要提一下具有特別重要意義的一個事實，即相對論使我們能夠預示地球對恆星的相對運動對於從恆星傳到我們這裡的光所產生的效應，這些結果是以極簡單的方式獲得的，而所預示的效應已判明是與經驗相符合的。我們所指的是地球繞日運動所引起的恆星視位置的周年運動（光行差），以及恆星對地球的相對運動的徑向分量對於從這些恆星傳到我們這裡的光的顏色的影響。後一個效應表現為，從恆星傳播到我們這裡的光的光譜線的位置與在地球上的光源所產生的相同的光譜線的位置相比確有微小的移動（都卜勒原理）。支持麥克斯韋－洛倫茲理論同時也是支持相對論的實驗論據多得不勝枚舉。實際上這些論據對理論的可能性的限制己達到了只有麥克斯韋和洛倫茲的理論才能經得起經驗的檢驗的程度。 但是有兩類已獲得的實驗事實直到現在為止只有在引進一個輔助假設後才能用麥克斯韋－洛倫茲的理論來表示，而這個輔助假設就其本身而論（亦即如果不引用相對論的話）似乎是不能與麥克斯韋－洛倫茲理論聯繫在一起的。 大家知道，陰極射線和放射性物質發射出來的所謂β射線是由慣性很小速度相當大的帶負電的粒於（電子）構成的。考察一下此類射線在電場和磁場影響下的偏斜，我們就能夠很精確地研究這些粒子的運動定律。 在對這些電子進行理論描述時，我們遇到了困難，即電動力學理論本身不能解釋電子的本性。因為由於同號的電質量相互排斥，構成電子的負的電質量在其本身相互排斥的影響下就必然會離散，否則一定存在著另外一種力作用於它們之間，但這種力的本性到目前為止我們還未清楚。如果我們假定構成電子的電質量相互之間的相對距離在電於運動的過程中保持不變（即經典力學中所說的剛性連接），那麼我們就會得出一個與經驗不相符合的電子運動定律。洛倫茲是根據純粹的形式觀點引進下述假設的第一人，他假設電子的外形由於電子運動的緣故而在運動的方向發生收縮，收縮的長度與成正比這個沒有被任何電動力學事實所證明的假設卻給了我們一個在近年來以相當高的精確度得到證實的特別的運動定律。 相對論也導致了同樣的運動定律，而無需藉助於關於電子的結構和行為的任何特別假設。我們在第１３節敘述斐索的實驗時也得出了相似的結論，相對論預言了這個實驗的結果，而無需引用關於液體的物理本性的假設。 我們所指的第二類事實涉及這樣的問題，即地球在空間中的運動能否用在地球上所做的實驗來觀察。我們已在第５節談過，所有這類企圖都導致了否定的結果。在相對論提出以前，人們很難接受這個否定的結果，我們現在來討論一下難以接受的原因。對於時間和空間的傳統偏見不容許對伽利略變換在從一個參考物體變換到另一個參考物體中所占有的首要地位產生任何懷疑。設麥克斯韋一洛倫茲方程對於一個參考物體Ｋ是成立的，那麼如果假定坐標系Ｋ和相對於Ｋ作勻速運動的坐標系Ｋ』之間存在著伽利略變換關係，我們就會發現這些方程對於Ｋ』不能成立。由此看來，在所有的伽利略坐標系中。必然有一個對應於一種特別運動狀態的坐標系（Ｋ）具有物理的唯一性，過去對這個結果的物理解釋是，Ｋ相對於假設的空間中的以太是靜止的，另一方面，所有相對於Ｋ運動著的坐標系Ｋ』就被認為都是在相對於以太運動著，因此，曾假定為對於Ｋ』夠成立的運動定律所以比較複雜是由於Ｋ』相對於以太運動（相對於Ｋ』的「以大漂移」）之故。嚴格他說，應該假定這樣的以大漂移相對於地球也是存在的。因此，長期以來，物理學家們對於企圖探測地球表面上是否存在著以太漂移的工作曾付出很大努力。 這些企圖中最值得注意的一種是邁克耳孫聽設計的方法，看來這方法好象必然會具有決定性的意義。設想在一個剛體上安放兩面鏡子，使這兩面鏡子的反光面相互面對如果整個系統相對於以大保持靜止，那麼光線從一面鏡子射到另一面鏡子然後再返回就需要一個完全確定的時間Ｔ。但根據計算推出，如果該剛體連同鏡子相對於以太是在運動著的話，則上述過程就需要一個略微不同的時間Ｔ』。還有一點：計算表明，若相對於以太運動的速度規定力同一速度ｖ，則物體垂直於鏡子平面運動時的Ｔ』又將與運動平行於鏡子平面對的Ｔ』不相同．雖然計算出來的這兩個時間的差別極其微小。不過在邁克耳孫和莫雷所作的利用光的干涉的實驗中，這兩個時間的差別應該還是能夠清楚地觀察得到的，但是他們的實驗卻得出了完全否定的結果。這是一件使物理學家感到極難理解的事情。洛倫茲和斐茲傑惹曾經從這種困難的局面中把理論解救出來：他們的解法是假定物體相對於以大的運動能使物體沿運動的方向發生收縮，而其收縮量恰好足以補償上面提到的時間上的差別。若與第１２節的論述相比較，可以指出：從相對論的觀點來看，這種解決困難的方法也是對的。但是若以相對論為基礎，則其解釋的方法遠遠要更為令人滿意。按照相對論，並沒有「特別優越的」（唯一的）坐標系這樣的東西可以用來作為引進以太觀念的理由，因此不可能有什麼以大漂移，也不可能有用以演示以太漂移的任何實驗，在這裡運 動物 體的收縮是完全從相對論的兩個基本原理推出來的，並不需要引進任何特定假設；至於造成這種收縮的首要因素，我們發現，並不是運動本身（對於運動本身我們不能賦予任何意義），而是對於參考物體的相對運動——這一參考物體是在具體實例中適當選定的。例如，對於一個與地球一起運動的坐標系而言，邁克耳孫和莫雷的鏡子系統井沒有縮短，但是對於一個相對於太陽保持靜止的坐標系而言，這個鏡子系統確是縮短了。