爱因斯坦建立狭义相对论的关键一步——同时性定义

摘要：

本文阐明了双程（回路）光速的数值可以由实验直接给出，但是单向光速的数值不能由实验获得而只能通过单向光速各向同性的假设使之等于双程光速的数值。有了这个（假定的）单向光速的数值就可以同步惯性系中的所有时钟，因而定义了惯性系的时间坐标，正是由于这种同时性定义，爱因斯坦才进而发现了狭义相对论。迄今为止所有测量光速的实验给出的都是双程而非单程光速的数值。为了从理论上阐述单程光速无法测量，我们介绍了爱德瓦兹同时性，它是使用双程光速不变而单程光速任意的假设来定义的；同时给出了与之相应的爱德瓦兹变换，进而讨论了这种同时性与爱因斯坦同时性的关系。通过时间膨胀和长度收缩效应阐明了二者在物理上是等价的，也就是说单向光速的效应在实验中不会显现。

编后语：

张元仲先生是我们国家在狭义和广义相对论领域从事研究工作多年的资深专家；在引力理论方面研究过超越相对论的理论（例如具有挠场的引力规范理论）；与实验物理学家合作开展过等效原理的理论与实验研究；近年来在空间基础物理领域进行过项目论证和地面预研工作。1979年著有《狭义相对论实验基础》（科学出版社，北京），1997年著有《Special Relativity and Its Experimental Foundations 》(World Scientific Publishing Co Pte Ltd，Singapore）。今年正值爱因斯坦广义相对论发表百年，《物理与工程》主编王青教授约请张先生为本刊撰写系列文章，以期把相对论中的一些重要思想传递给广大读者。下面摘录王青和张元仲的部分邮件，说明本文的来由和修改过程。

（王青2015-06-24邮件）张老师，今天听您关于同时性报告很有感触，我在清华教电动力学20多年，确实感到教狭义相对论时关于光速不变总是讲得不够清楚和深入。您的报告正好弥补了这方面的不足。我觉得这不只是我的问题，也是很多教和学狭义相对论的师生同样面对的问题，因此很有必要宣传一下。正好《物理与工程》期刊的主要对象就是针对教和学大学物理和基础物理的教师和学生。希望您就此写一篇文章，时间不限，篇幅不限，目的就是希望把您的看法和观点传播出去。特此跟您约稿。

（王青2015-08-13邮件）张老师，拜读了你的大作，写得很清楚很好，我很喜欢。不过我现在以一个在大学多年讲授电动力学的普通老师的身份希望您能再增加一点点内容，使得我们能够更快和容易地把您的论述和思想直接转化到我们的教学当中去。……我们通常教狭义相对论时是从您在第一节最后提到的使用光信号单向速度不变的方程式来推导洛伦兹变换的。一旦推出洛伦兹变换往后就什么都有了。其中要紧的就是您文中所提的ｘ 系和ｘ′系的ｃ是一样的，通常把它就解释为实验上所看到的光速不变。现在您强调这是单向光速不变，这不难理解；但难于理解的是您在2.1节一开始所说的“至今所完成的真空光速的测量全都是对双程（闭合回路）光速的测量，这些实验结果表明真空中双程（或说回路）光速是个不变的常数。”这好像不能一下清楚地看出来．我们课上通常用迈克耳孙干涉实验说明光速不变，您能否增加一些内容具体说明至少迈克耳孙干涉实验测的不是单程光速，当然能再多说一些其他常用的光速不变测量具体怎么测的就更好。只有这样老师和学生才能意识到这个通常在狭义相对论教学中被忽视的单程光速和回路光速的差别在理论基础中的重要作用，由此引发您所强调的同时性的讨论。否则，如我们及大多数狭义相对论教学所做的直接把实验看到的光速不变

外推为单程光速不变，您所讨论的那些细节就可能被忽略和抹杀啦．

（张元仲）王教授，文章补充了迈克耳孙－莫雷实验，希望能说清楚您的问题。或许其他教大学物理的读者阅读了我写的东西不一定一下子清楚，但是希望会给他们一点启发。

（编辑）除了王青和张元仲之间的邮件，《物理与工程》编辑也沟通于其中，并为此前后两次拜访了张先生。能面对面聆听大师深入浅出的比喻和讲解，真是做《物理与工程》期刊的福气。经过讨论，张先生将在接下来的几期继续撰写狭义相对论相关话题文章，让我们一起等待吧。

１．迈克耳孙－莫雷实验

２．无穷小坐标变换

３．洛伦兹变换的推导