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次变化,干涉图样应有∆N个条纹的平移.1881年迈克耳孙首次实验时,未能观察到期望的干涉图样平移.1887年他与莫雷(F. W. Morley,1838—1923)合作,将测量精度提高到可测出∆N=0.01个条纹的平移,实验期望值达∆N=0.4,令人失望的是仍然没有观察到干涉条纹的平移.
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迈克耳孙—莫雷实验的“失败”,表明以太系的存在未能被实验认证,这使得以实验事实为依据的经典理论出现了危机.
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8.1.2 狭义相对论基本原理
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面对经典理论的危机,爱因斯坦首先否定了以太的存在.这一否定也使以太系的存在性假设成为多余,那么麦克斯韦方程究竟在哪一个参考系中成立呢?爱因斯坦认为应该在所有惯性系中都成立,这也就意味着牛顿力学的相对性原理可以引申到电相互作用力的结构性定律,爱因斯坦进而认为相对性原理可以引申到所有已知的和未知的动力学系统.引申的结果是麦克斯韦场方程组中的常量ε0,μ0如同引力常量G一样具有惯性系不变性,从而导致真空(不再存在以太的真空)光速c在所有惯性系中有相同量值.与此相反,经典理论中的伽利略速度变换却仍然要求真空光速在不同的惯性系有不同的量值.传统的观念认为伽利略速度变换在宏观世界中太“真实”了,速度变换所依据的绝对时空观本身又实在太“简洁”了,真空光速不变性与可变性之间的矛盾显得格外尖锐.经过思索,爱因斯坦选择了c的不变性,这就意味着必须改造牛顿绝对时空观和伽利略时空度量变换.狭义相对论从此诞生.
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爱因斯坦为狭义相对论的建立提出两条基本原理.
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相对性原理:
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在所有惯性系中,物理学定律具有相同的表达形式.
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光速不变原理:
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在所有惯性系中,真空光速具有相同量值,与光源的运动无关.
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引申后的相对性原理体现了爱因斯坦的科学观念,即自然界的基本规则具有不依赖于惯性系选取的内在的和谐性与一致性.爱因斯坦既超越了牛顿思想,又继承了牛顿思想.在继承性方面,爱因斯坦将自然界内在的和谐性可引起的美感仍然仅赋予抽象的惯性参考系的观察者.若干年后,在建立广义相对论时,爱因斯坦受马赫对惯性系批判的影响,迈出了让世人极为惊讶的一步,将相对性原理授予客观世界中每一位真实参考系的观察者.
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值得一提的,是爱因斯坦虽然对麦克斯韦场方程持肯定态度,但场方程毕竟是一类具体的相互作用场的结构性定律,不宜将其整体提升到原理的地位.爱因斯坦从麦克斯韦场方程只提取出与经典时空观相矛盾的真空光速不变性,作为构建狭义相对论理论框架需要的一条基本原理,从而导得新的时空变换,展开成狭义相对论的运动学内容.紧接着,爱因斯坦论证了麦克斯韦场方程在新的时空变换下能满足相对性原理要求,同时得到了惯性系之间电、磁场量的相对论变换.上述研究成果,构成了爱因斯坦相对论第一篇论文《论动体的电动力学》中所阐述的主体内容.
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应该指出,既然牛顿力学对于伽利略时空变换是协变的,那么牛顿力学对于爱因斯坦新的时空变换显然不会是协变的,需要对牛顿力学作必要的改造.爱因斯坦成功地完成了这一工作,建立了在狭义相对论时空变换下满足惯性系协变性要求的相对论力学,研究成果发表在他的相对论第三篇论文《关于相对性原理和由此得出的结论》之中.
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力学(物理类) 8.2 狭义相对论时空度量相对性
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