狭义相对论有哪些困难呢?科学家是怎么看待的?
1905年,爱因斯坦发展出了狭义相对论,把空间和时间联系在一起。光速不变原理和相对性原理在这之中起了重要作用。相对性原理告诉我们,一切惯性系都是平权的,并不存在一个特殊的绝对空间和绝对时间;光速不变原理还告诉我们,光在任何惯性系当中的速度都是一样的。爱因斯坦通过这两个原理,独自推导出了洛伦兹变换。
需要说明的是,洛伦兹变换并不是爱因斯坦首先推导出来的。1989年,洛伦兹早就在他的“电子论”中推导出了洛伦兹变换的数学形式。但是,当时洛伦兹对这些公式的物理解释还停留在牛顿时代,他认为存在着绝对空间,而公式中的变换后的时间不是真正的时间。并且,当时他还反对爱因斯坦的时空观,为了区别两者的理论,洛伦兹把爱因斯坦的理论称为“相对论”,于是这个名字就保留了下来。
在享受狭义相对论的成功带来喜悦的同时,爱因斯坦清醒地认识到,他的理论存在着两个方面的不足。第一个不足是惯性系无法定义,第二个不足是万有引力无法写成洛伦兹变换的形式。
惯性系引起的困难
虽然爱因斯坦抛弃了绝对空间的概念,但这也产生了一个困难:惯性系无法定义,该去哪里寻找惯性系呢?爱因斯坦脑中首先想到的是利用惯性定律来定义惯性系,即惯性系是惯性定律成立的参考系。惯性定律的内容是:不受外力的物体将保持静止状态或匀速直线运动状态。然而,不受外力意味着一个物体能在惯性系中保持静止状态或匀速直线运动状态。这就造成了循环定义,即定义惯性系要用到惯性定律,定义惯性定律要用到惯性系。
另一个想法是定义一无所有的空间中静止或匀速运动的参考系为惯性系。但是如果空间一无所有,我们根本没法区分任何运动,任何的参考系都建立不起来。所以,惯性系的定义成了狭义相对论的一个困难。狭义相对论的整个理论都建立在惯性系上,可是我们却找不到惯性系在哪里。我们有了好的理论,但是却没有适合它的框架。
万有引力引起的困难
狭义相对论遇到的第二个困难与万有引力定律有关。在那个时代,科学家们只发现了两种基本力:电磁力和万有引力。在爱因斯坦的狭义相对论中,电磁定律和动力学定律都可以写成洛伦兹协变的形式,即四维时空中的张量方程。但是,当他试图也把万有引力也写进去的时候却失败了。该定律似乎与狭义相对论的框架不相容,与相对性原理相矛盾。
解决困难
既然无法定义惯性系,爱因斯坦干脆就取消了它的特殊地位,把自己的整个理论建立在任意参考系的基础上。相对性原理被扩展成广义相对性原理:一切参考系都是平权的,物理定律在任何坐标系下形式都不变。光速不变原理也从惯性系扩展到任意参考系。
在引力质量和惯性质量相等的事实上,爱因斯坦提出了强等效原理:局部惯性场与引力场等效。等效原理使他想到引力应与惯性力一样起源于坐标的曲线性,考虑到没有引力的闵科夫斯基是平直时空,他觉得引力应该是弯曲的时空。