第四节 爱因斯坦相对论和宇宙观念的发展

　　狭义相对论

　　日心说中关于地球在运动的见解长期难以被人们接受，因为除了地震之类的现象外，人们凭直觉一直认为地球是静止不动的。1632年，伽利略在《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》这部名著中，对人们的上述感觉作了很好的解释。他把地球比作一条大船，而这条大船究竟是静止不动还是在做匀速直线运动，人们是无法从船内发生的“任何一个现象”来判定的。这个人们可以去亲身体验的道理，后来就称为伽利略相对性原理。用现代的语言来说，这样静止或做匀速直线运动的“船”，都属于惯性参考系。因为在任何两个做相对运动的惯性参考系中所表现出来的力学现象都相同，所以力学定律的表述在所有的惯性参考系中也都相同，即我们不可能通过力学实验来判断哪个惯性参考系是绝对静止或绝对运动的。

　　伽利略相对性原理也包含着经典速度合成规律。仍以船的航行为例，假设站在岸上的人看到一条在河道上沿直线航行的船具有恒定的速度u；但对于坐在船里的人看来，站在岸上的人好像在以同样大小的速度沿着相反的方向退行而船本身并没有动。这正是两个大小相等、方向相反的速度合成为零的结果，即u－u＝0。现在假设坐在船里的人突然起来以速度v′ 沿着船的航行方向向前奔跑，则此时站在岸上的人所看到的这个奔跑人的速度v应是上述船速和跑速之和，即：

　　v=u+v' （1．1）

　　在经典力学看来，这个速度合成公式对于描述任何物体的运动是普遍适用的，只是当所要合成的分速度不在同一个方向时，需要将它们投影到同一个方向后再去相加。

　　但是，光的传播速度并不遵从经典速度合成规律。这相当于（1．1）式中人在船上的奔跑速度v′如果换成光的传播速度c（即v′＝c），则合成速度v＝c，而与船的运动速度u无关。这种令人惊奇的结果首先是通过天文观测研究发现的。例如，现代观测到的距离地球约5000光年的蟹状星云，通过分析知道它是1054年出现的一颗超新星的遗迹。根据我国北宋时期的天文记载，这颗超新星在爆发开始出现的头23天中很亮，随后逐渐变暗，直到22个月以后肉眼才看不到。这实际上是四散飞出的爆发物质温度日益降低的表现。从地球上看到的超新星亮光正是这种爆发物质发出的，并且亮光的传播速度仍为光速c，而与爆发物质的运动速度u无关。但如按经典速度合成公式（1．1）计算， 取四散飞出的爆发物质运动速度u≈1500km/s，则在地球的视线方向上，亮光的传播速度应为（c+u）；而在与该视线垂直的方向上，爆发物质运动速度在视线方向的投影为零，故亮光的传播速度仍为c。这里的爆发物质至地球的距离仍近似地取作5000光年，则不难算出以上具有不同速度的亮光到达地球的时间差约为25年，这同实际测量的22个月的亮光持续时间显然不符。
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