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13. 速度相加定理  斐索实验

在现实中,钟和量杆所能达到的运动速度远远小于光速c,因此我们几乎不可能将上一节的结果与现实直接比较。但另一方面,这些结果必定使读者感到很奇怪,因此我要从该理论得出另一个推论,它很容易从前面的论述中推导出来,而且已经得到了出色的实验证实。

我们在第6节导出了同向速度的相加定理,其形式可由经典力学的假说推出。该定理也很容易从伽利略变换(第11节)推导出来。我们引入相对于坐标系K′按照下列方程运动的一个点来代替在车厢中走动的人

x′=wt′

通过伽利略变换的第一和第四方程,我们可以用x和t来表示x′和t′,于是得到

x=(v+w)t

此方程所表示的正是该点相对于坐标系K(人相对于路基)的运动定律。和在第6节一样,我们用W表示这个速度,于是得到

W=v+w      (A)

但我们也可以基于相对论进行这些思考。在方程

x′=wt′

中,利用洛伦兹变换的第一和第四方程,我们必须用x和t来表示x′和t′。于是我们得到的不是方程(A),而是方程

(B)

这个方程对应于根据相对论的同向速度相加定理。现在的问题是,这两个定理中哪一个经得起经验检验。关于这一点,天才的物理学家斐索(Fizeau)在半个多世纪以前所做的一个极为重要的实验可以给我们以启发。后来,一些非常优秀的实验物理学家重复过这个实验,因此它的结果是无可置疑的。该实验涉及以下问题。光以特定速度w在一种静止的液体中传播。现在,如果上述液体以速度v在管内流动,那么光在管内沿图中箭头方向的传播速度有多快呢?

根据相对性原理,我们必须认为光相对于液体总是以相同的速度w传播的,不论该液体相对于其他物体是否运动。于是光相对于液体的速度和液体相对于管的速度为已知,需要求出光相对于管的速度。

显然,我们这里又面临着第6节的问题。管相当于路基或坐标系K,液体相当于车厢或坐标系K′,而光相当于在车厢中走动的人或本节中所说的运动点。于是,如果用W表示光相对于管的速度,则W应由方程(A)或方程(B)给出,视伽利略变换符合实际还是洛伦兹变换符合实际而定。

实验 注1 支持由相对论推出的方程(B),而且非常精确。根据塞曼(Zeeman)最近所作的极为出色的测量,液体流速v对光的传播的影响的确可以用公式(B)来表示,其误差小于1%。

但我们必须强调,早在相对论提出之前,洛伦兹就已经提出了一种关于此现象的理论。该理论纯粹是电动力学性质的,而且是运用关于物质电磁结构的特定假说而得出来的。但这种情况丝毫没有减弱该实验作为支持相对论的判决性实验的证明力,因为原有理论所基于的麦克斯韦-洛伦兹电动力学与相对论毫无矛盾之处。毋宁说,相对论是由电动力学发展出来的,它异常简单地总结和概括了作为电动力学基础的之前相互独立的各个假说。 eX8Vco2D0mkyzUm3MemWX8qwSRb4B9SfA0LGknf0KuDi2Cjndh2OpAUb6IvgMtnn

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