为什么说狭义相对论是近代物理学的一大支柱

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为什么说狭义相对论是近代物理学的一大支柱

2022 年 2 月 15 日，我国著名理论物理学家、中国科学院理论物理所研究员张元仲因病逝世，享年 81 岁。张元仲先生长期从事理论物理学研究和教学，特别是在狭义与广义相对论理论、引力理论和宇宙学等领域，著有《狭义相对论实验基础》等专著，对我国的引力和相对论的研究和教育做出了重要贡献。

本文是张元仲先生为澄清“狭义相对论”是近代物理学一大支柱而非广义相对论所作。

撰文 | 张元仲


（本文为《物理与工程》 2017 年第 2 期特约稿件。图片为本文作者中国科学院理论物理研究所张元仲研究员）


（中科院理论物理所）

01  背景

早在 1970 年，我们在文献中就看到物理学界公认的评论：“狭义相对论和量子力学是近代物理学的两大支柱”；最近署名 DHBD219 的于 2012 年 5 月 5 日上传网络的“第 15 章 狭义相对论力学基础”第 3 张片子也展示了这个说法。

图 1为网络截图，下载地址是：http://wenku.baidu.com/link?url= ... 1Nun3as5D 5oGMms00q


图 1　网络截图

需要注意的是，早年有的文献为了省事而把其中的“狭义”二字省略了，在其他的物理学名称中也略去了“狭义”二字，例如相对论力学、相对论量子力学等，其中的“相对论”都是指“狭义相对论”。爱因斯坦在 1916 年发表的《广义相对论基础》[1]中 特意作了说明：“下面要论述的理论，是对现今通常所说的‘相对论’所做的可能想象得到的最为详尽的推广。为了便于区别起见，以后我称上述‘相对论’为‘狭义相对论’，并且假定已为大家所知道。”

现在无法考证前些年是哪些专家或博士生把“相对论是近代物理学的一大支柱”中的“相对论”当成了“广义相对论”！于是在高校和研究院所的个别博士毕业论文中出现了完全错误的评论：“广义相对论是现代物理理论的支柱”；这种错误的评论近年来也出现在一些专家教授的基金项目建议书和申请书中。为了避免这类错误继续误人子弟，下面说明作为近代物理学的一大支柱为什么是“狭义相对论”而不是“广义相对论”。

02  狭义相对论的两条基本原理（或说假设）

（1） 狭义相对性原理：一切物理定律在所有惯性系中均有效。

（2） 光速不变原理：光在真空中总是以不变速度 c 传播且与光源的运动状态无关。

下面对这两条基本原理作必要的说明。

03  洛伦兹变换



04  狭义相对论是近代物理理论的一大支柱

有了上面的洛伦兹变换（4）和式（5）后就可以把狭义相对性原理具体表述为：一切物理定律的方程式在洛伦兹变换下保持形式不变（或者说协变性）。

近代物理理论就是用（狭义）相对性原理的这种表述构造出来的。构造的方法通常是作用量方法，即使用物理系统的动力学变量构造出在洛伦兹变换下不变的作用量，然后取该作用量对动力学变量的变分等于零（最小作用量原理）即得到该物理系统的动力学方程（欧拉-拉格朗日方程），这样得到的方程在洛伦兹变换下保持形式不变（即满足狭义相对性原理的要求）。例如，平直时空的宏观理论有：（狭义）相对论力学、运动介质的（狭义）相对论电磁学等；微观理论有：（狭义）相对论量子力学、（狭义）相对论性的量子电动力学、（狭义）相对论性的粒子物理理论等。所有这些（宏观的和微观的）理论其动力学方程式都在洛伦兹变换下保持形式不变（即满足狭义相对性原理的要求）；而且，这些物理系统的作用量在非齐次洛伦兹变换下的不变性给出守恒定律（齐次洛伦兹不变性给出角动量守恒定律；时间坐标的平移不变性给出能量守恒定律；空间坐标的平移不变性给出动量守恒定律）。所以说狭义相对论是所有这些近代物理理论的一大支柱（也就是说没有狭义相对论就没有这些近代物理理论。当然，量子力学是微观物理理论的另一大支柱）。

1905 年狭义相对论诞生之后，牛顿引力定律也必须推广成洛伦兹变换下的协变形式；但是在平直时空中无法做到这一点，为此爱因斯坦于 1915 年建立了弯曲时空的引力理论即广义相对论。

广义相对论也有两个基本假设：（1）广义相对性原理（或说广义协变原理）；（2）爱因斯坦等效原理（或说强等效原理）。强等效原理可以表述为[3]：在弯曲时空的每一个时空点附近（局部）都可以建立一个局部惯性系，在其中进行非引力的物理实验得到的物理定律都是狭义相对论的形式（也就是说这些物理定律在洛伦兹变换下保持不变，例如宏观电磁学实验给出的就是电动力学，微观电磁学实验给出的就是量子电动力学；机械力学实验给出的就是狭义相对论力学，等等）。所以说，狭义相对论也是广义相对论的支柱（在弯曲时空的局部满足狭义相对性原理）。广义相对论也就是（局部）狭义相对论性的引力理论，它只是描写引力相互作用的理论，跟电磁理论、弱作用理论、强作用理论等属于同一层次，不可能谁是谁的支柱（或基础）。只有狭义相对论才是所有 4 种基本相互作用（引力、电磁力、弱力、强力）的近代物理理论的支柱。因此，“广义相对论是现代物理理论的支柱”这种说法是物理概念的混乱。

参考文献

[1]爱因斯坦.广义相对论基础，德国《物理学记事》第4系列[M].1916,49:769-822.
（中译文参见上海人民出版社 1973 年出版的《爱因斯坦论著选编》第 36 页）

[2]Edwards W F.  Special relativity in anisotropic space[J]. Am.J.Phys.,1963(31): 482.
（或参见张元仲.狭义相对论实验基础,第 1.2 节.北京：科学出版社,1979)

[3]温伯格.引力论和宇宙论（广义相对论的原理和应用）[M].北京：科学出版社,1980:75-76.

本文转载自微信公众号“物理与工程”。