愛因斯坦與相對論
　　■狹義相對論的創(chuàng)立
　　早在16歲時,愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進的電磁波,他產(chǎn)生了一個想法,如果一個人以光的速度運動,他將看到一幅什么樣的世界景象呢?他將看不到前進的光,只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場.這種事可能發(fā)生嗎?
　　與此相聯(lián)系,他非常想探討與光波有關(guān)的所謂以太的問題.以太這個名詞源于希臘,用以代表組成天上物體的基本元素.17世紀,笛卡爾首次將它引入科學(xué),作為傳播光的媒質(zhì).其后,惠更斯進一步發(fā)展了以太學(xué)說,認為荷載光波的媒介物是以太,它應(yīng)該充滿包括真空在內(nèi)的全部空間,并能滲透到通常的物質(zhì)中.與惠更斯的看法不同,牛頓提出了光的微粒說.牛頓認為,發(fā)光體發(fā)射出的是以直線運動的微粒粒子流,粒子流沖擊視網(wǎng)膜就引起視覺.18世紀牛頓的微粒說占了上風(fēng),然而到了19世紀,卻是波動說占了絕對優(yōu)勢,以太的學(xué)說也因此大大發(fā)展.當(dāng)時的看法是,波的傳播要依賴于媒質(zhì),因為光可以在真空中傳播,傳播光波的媒質(zhì)是充滿整個空間的以太,也叫光以太.與此同時,電磁學(xué)得到了蓬勃發(fā)展,經(jīng)過麥克斯韋、赫茲等人的努力,形成了成熟的電磁現(xiàn)象的動力學(xué)理論——電動力學(xué),并從理論與實踐上將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來,認為光就是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波,從而將光的波動理論與電磁理論統(tǒng)一起來.以太不僅是光波的載體,也成了電磁場的載體.直到19世紀末,人們企圖尋找以太,然而從未在實驗中發(fā)現(xiàn)以太.
　　但是,電動力學(xué)遇到了一個重大的問題,就是與牛頓力學(xué)所遵從的相對性原理不一致.關(guān)于相對性原理的思想,早在伽利略和牛頓時期就已經(jīng)有了.電磁學(xué)的發(fā)展最初也是納入牛頓力學(xué)的框架,但在解釋運動物體的電磁過程時卻遇到了困難.按照麥克斯韋理論,真空中電磁波的速度,也就是光的速度是一個恒量,然而按照牛頓力學(xué)的速度加法原理,不同慣性系的光速不同,這就出現(xiàn)了一個問題：適用于力學(xué)的相對性原理是否適用于電磁學(xué)?例如,有兩輛汽車,一輛向你駛近,一輛駛離.你看到前一輛車的燈光向你靠近,后一輛車的燈光遠離.按照麥克斯韋的理論,這兩種光的速度相同,汽車的速度在其中不起作用.但根據(jù)伽利略理論,這兩項的測量結(jié)果不同.向你駛來的車將發(fā)出的光加速,即前車的光速=光速+車速；而駛離車的光速較慢,因為后車的光速=光速-車速.麥克斯韋與伽利略關(guān)于速度的說法明顯相悖.我們?nèi)绾谓鉀Q這一分歧呢?
　　19世紀理論物理學(xué)達到了巔峰狀態(tài),但其中也隱含著巨大的危機.海王星的發(fā)現(xiàn)顯示出牛頓力學(xué)無比強大的理論威力,電磁學(xué)與力學(xué)的統(tǒng)一使物理學(xué)顯示出一種形式上的完整,并被譽為“一座莊嚴雄偉的建筑體系和動人心弦的美麗的廟堂”.在人們的心目中,古典物理學(xué)已經(jīng)達到了近乎完美的程度.德國著名的物理學(xué)家普朗克年輕時曾向他的老師表示要獻身于理論物理學(xué),老師勸他說：“年輕人,物理學(xué)是一門已經(jīng)完成了的科學(xué),不會再有多大的發(fā)展了,將一生獻給這門學(xué)科,太可惜了.”
　　愛因斯坦似乎就是那個將構(gòu)建嶄新的物理學(xué)大廈的人.在伯爾尼專利局的日子里,愛因斯坦廣泛關(guān)注物理學(xué)界的前沿動態(tài),在許多問題上深入思考,并形成了自己獨特的見解.在十年的探索過程中,愛因斯坦認真研究了麥克斯韋電磁理論,特別是經(jīng)過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學(xué).愛因斯坦堅信電磁理論是完全正確的,但是有一個問題使他不安,這就是絕對參照系以太的存在.他閱讀了許多著作發(fā)現(xiàn),所有人試圖證明以太存在的試驗都是失敗的.經(jīng)過研究愛因斯坦發(fā)現(xiàn),除了作為絕對參照系和電磁場的荷載物外,以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒有實際意義.于是他想到：以及絕對參照系是必要的嗎?電磁場一定要有荷載物嗎?
　　愛因斯坦喜歡閱讀哲學(xué)著作,并從哲學(xué)中吸收思想營養(yǎng),他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性.相對性原理已經(jīng)在力學(xué)中被廣泛證明,但在電動力學(xué)中卻無法成立,對于物理學(xué)這兩個理論體系在邏輯上的不一致,愛因斯坦提出了懷疑.他認為,相對論原理應(yīng)該普遍成立,因此電磁理論對于各個慣性系應(yīng)該具有同樣的形式,但在這里出現(xiàn)了光速的問題.光速是不變的量還是可變的量,成為相對性原理是否普遍成立的首要問題.當(dāng)時的物理學(xué)家一般都相信以太,也就是相信存在著絕對參照系,這是受到牛頓的絕對空間概念的影響.19世紀末,馬赫在所著的《發(fā)展中的力學(xué)》中,批判了牛頓的絕對時空觀,這給愛因斯坦留下了深刻的印象. 1905年5月的一天,愛因斯坦與一個朋友貝索討論這個已探索了十年的問題,貝索按照馬赫主義的觀點闡述了自己的看法,兩人討論了很久.突然,愛因斯坦領(lǐng)悟到了什么,回到家經(jīng)過反復(fù)思考,終于想明白了問題.第二天,他又來到貝索家,說：謝謝你,我的問題解決了.原來愛因斯坦想清楚了一件事：時間沒有絕對的定義,時間與光信號的速度有一種不可分割的聯(lián)系.他找到了開鎖的鑰匙,經(jīng)過五個星期的努力工作,愛因斯坦把狹義相對論呈現(xiàn)在人們面前.
　　1905年6月30日,德國《物理學(xué)年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學(xué)》,在同年9月的該刊上發(fā)表.這篇論文是關(guān)于狹義相對論的第一篇文章,它包含了狹義相對論的基本思想和基本內(nèi)容.狹義相對論所根據(jù)的是兩條原理：相對性原理和光速不變原理.愛因斯坦解決問題的出發(fā)點,是他堅信相對性原理.伽利略最早闡明過相對性原理的思想,但他沒有對時間和空間給出過明確的定義.牛頓建立力學(xué)體系時也講了相對性思想,但又定義了絕對空間、絕對時間和絕對運動,在這個問題上他是矛盾的.而愛因斯坦大大發(fā)展了相對性原理,在他看來,根本不存在絕對靜止的空間,同樣不存在絕對同一的時間,所有時間和空間都是和運動的物體聯(lián)系在一起的.對于任何一個參照系和坐標(biāo)系,都只有屬于這個參照系和坐標(biāo)系的空間和時間.對于一切慣性系,運用該參照系的空間和時間所表達的物理規(guī)律,它們的形式都是相同的,這就是相對性原理,嚴格地說是狹義的相對性原理.在這篇文章中,愛因斯坦沒有多討論將光速不變作為基本原理的根據(jù),他提出光速不變是一個大膽的假設(shè),是從電磁理論和相對性原理的要求而提出來的.這篇文章是愛因斯坦多年來思考以太與電動力學(xué)問題的結(jié)果,他從同時的相對性這一點作為突破口,建立了全新的時間和空間理論,并在新的時空理論基礎(chǔ)上給動體的電動力學(xué)以完整的形式,以太不再是必要的,以太漂流是不存在的.
　　什么是同時性的相對性?不同地方的兩個事件我們何以知道它是同時發(fā)生的呢?一般來說,我們會通過信號來確認.為了得知異地事件的同時性我們就得知道信號的傳遞速度,但如何沒出這一速度呢?我們必須測出兩地的空間距離以及信號傳遞所需的時間,空間距離的測量很簡單,麻煩在于測量時間,我們必須假定兩地各有一只已經(jīng)對好了的鐘,從兩個鐘的讀數(shù)可以知道信號傳播的時間.但我們?nèi)绾沃喇惖氐溺妼昧四?答案是還需要一種信號.這個信號能否將鐘對好?如果按照先前的思路,它又需要一種新信號,這樣無窮后退,異地的同時性實際上無法確認.不過有一點是明確的,同時性必與一種信號相聯(lián)系,否則我們說這兩件事同時發(fā)生是沒有意義的.
　　光信號可能是用來對時鐘最合適的信號,但光速不是無限大,這樣就產(chǎn)生一個新奇的結(jié)論,對于靜止的觀察者同時的兩件事,對于運動的觀察者就不是同時的.我們設(shè)想一個高速運行的列車,它的速度接近光速.列車通過站臺時,甲站在站臺上,有兩道閃電在甲眼前閃過,一道在火車前端,一道在后端,并在火車兩端及平臺的相應(yīng)部位留下痕跡,通過測量,甲與列車兩端的間距相等,得出的結(jié)論是,甲是同時看到兩道閃電的.因此對甲來說,收到的兩個光信號在同一時間間隔內(nèi)傳播同樣的距離,并同時到達他所在位置,這兩起事件必然在同一時間發(fā)生,它們是同時的.但對于在列車內(nèi)部正中央的乙,情況則不同,因為乙與高速運行的列車一同運動,因此他會先截取向著他傳播的前端信號,然后收到從后端傳來的光信號.對乙來說,這兩起事件是不同時的.也就是說,同時性不是絕對的,而取決于觀察者的運動狀態(tài).這一結(jié)論否定了牛頓力學(xué)中引以為基礎(chǔ)的絕對時間和絕對空間框架.
　　相對論認為,光速在所有慣性參考系中不變,它是物體運動的最大速度.由于相對論效應(yīng),運動物體的長度會變短,運動物體的時間膨脹.但由于日常生活中所遇到的問題,運動速度都是很低的（與光速相比）,看不出相對論效應(yīng).
　　愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎(chǔ)上建立了相對論力學(xué),指出質(zhì)量隨著速度的增加而增加,當(dāng)速度接近光速時,質(zhì)量趨于無窮大.他并且給出了著名的質(zhì)能關(guān)系式：E=mc2,質(zhì)能關(guān)系式對后來發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導(dǎo)作用.