张元仲先生讲狭义相对论的几个基本问题

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张元仲先生讲狭义相对论的几个基本问题


张元仲
返朴 2023-09-23 19:50



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。

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张元仲：《狭义相对论实验基础（第二版）》（科学出版社，2023年9月）

撰文 | 张元仲

1.坐标系与同时性定义

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（不管这两点相距多近）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。说是“定义”，是因为我们并没有一种先验的校钟方法。这就是说，每一个惯性坐标系都必须用某种方法将其中各个空间点上放置的相互静止的标准时钟调节成”同步”. 经典力学中的”同步”（或说同时性）是瞬时的。狭义相对论用光信号校钟，并假定光速各向同性。因此，狭义相对论中的惯性系定义与经典力学中惯性系定义之间的唯一差别，在于同时性定义的不同。

2.理论预言与实验数据的比较

首先，我们已经知道这样一个事实，即迄今为止，实验室一般都是使用光信号校准时间的，并假定光速为常数，c≈3×108m/s。这就是说，文献中给出的两地时钟的读数之差或某物体的速度v的数值，都是相对于爱因斯坦同时性定义的。所以，这些数据与狭义相对论的预言比较是直截了当的。然而，我们却不能将这些数值直接同经典力学（以及其他检验理论）的预言进行比较，因为经典力学用的是瞬时同时性的定义。为了与实验数据比较，我们必须使用以下公式：

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