68．爱因斯坦创立相对论学说

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68．爱因斯坦创立相对论学说

在科学发展日新月异、科技成果层出不穷的20世纪，能够保持光辉而又经久不衰的科学明星越来越罕见了。20世纪物理学界泰斗玻尔提出的原子理论，曾被誉为“思想领域中最高的音乐神韵”，但仅仅只有12年，即被海森堡和薛定谔的新理论所代替；而物理学一代骄子海森堡的矩阵力学与薛定谔的波动力学也在短短几年之内被狄拉克等人的量子场论概括无遗；盖尔曼的夸克理论名噪一时，却很快为实验物理学家的新发现所冲破。在这一批又一批新星升起、群星璀璨的物理学领域，却有一颗明亮的星不断放射出光芒，这颗明星就是爱因斯坦。虽然他的狭义相对论和光量子理论已成为科学史上的里程碑，但是他提出的广义相对论的光芒仍耀眼夺目。它逻辑结构之完美、实验预言之精确和理论容量之深广，以至于80年来没有任何引力理论可以与之相匹敌。当代卫星、射电、激光等各项新兴技术的发展正越来越显示出它的强大生命力。此外，由爱因斯坦开创和倡导的对称性原理、简单性原理、物理学几何化思想，以及统一场论的研究方向，也正在物理学领域显示越来越强大的威力。在科学研究的深刻性与科学成果的持久性上，牛顿以后还无人可与爱因斯坦相匹敌。

狭义相对论起源于爱因斯坦16岁（1895年）在瑞士阿劳州立中学上学时无意中想到的一个悖论：如果我以真空中的光速追随一条光线运动，那将看到这条光线像一个在空间里振荡着而停滞不前的电磁场。可是无论是依据经验，还是按照麦克斯韦方程，看来都不会发生这样的事情。从一开始，爱因斯坦在直觉上就很清楚，从这样一个观察者的观点来判断，一切都应当像一个相对于地球是静止的观察者所看到的那样，按照同样的一些规律进行。此后，这个悖论一直萦绕在爱因斯坦的脑际，并为此沉思了10年。实际上，这个悖论已经包含着狭义相对论的萌芽。他说，追光的思想实验“是同狭义相对论有关的第一个朴素的思想实验”。

第二年，爱因斯坦进入苏黎士工业大学。学习期间，他迷恋于麦克斯韦的电磁场理论，并广泛阅读各种物理学和哲学著作，逐渐明确了追光悖论实际上是间断的质点力学（牛顿力学）和连续的电磁场理论（麦克斯韦理论）不统一（矛盾）的表现。他进一步认识到这种矛盾集中地反映在牛顿力学所依据的伽利略相对性原理和麦克斯韦理论所得出的真空中光速不变上。从伽利略变换中，必定导出绝对静止的坐标系，要求有绝对空间和绝对时间，并且不存在极限速度。然而，光速不变意味着光速是不可超越的极限速度。

这种矛盾和不统一深深地困扰着爱因斯坦，即使在失业、贫病交加的逆境之中，他也没有放弃对科学统一的执着追求。伽利略的相对性原理和光速不变原理都有实验事实依据，两者为什么会产生矛盾？两者的矛盾是真实的还是虚假的？它们能否统一？如何统一？爱因斯坦苦苦思考着这些问题，并试图解决它们。1900年前后，大约有一年左右的时间，他曾尝试在传统观念的框架内（承认以太存在）解决这种矛盾。

当时，爱因斯坦还是一个纯粹的经验主义者，热衷于用观察和实验来研究物理学的主要问题。但却毫无结果。“渐渐地我对那种根据已知事实用构造性的努力去发现真实定律的可能性感到绝望了。我所作的努力愈久，就愈加绝望，也就愈加确信，只有发现一个普遍的形式原理，才能使我们得到可靠的结果。”

怎样才能发现普遍的形式原理呢？爱因斯坦开始另辟蹊径，把哲学作为强有力的思想武器，重视理论思维。他广泛涉猎各派哲学，博采众长，为我所用。在哲学上，他主要接受来自两方面的影响，一方面，是渗透在赫尔姆霍兹、玻尔兹曼等人著作中和某些通俗科学读物中的自然科学唯物主义，以及斯宾诺莎的唯物论。唯物论的熏陶，使他坚信客观世界的存在。另一方面，是笛卡尔、斯宾诺莎、莱布尼兹的理性主义，以及休漠、马赫的怀疑、批判精神。

马赫在人们还普遍对牛顿力学顶礼膜拜的时候，就系统地批判牛顿力学，表现了他的远见卓识，给科学界，也给爱因斯坦留下了深刻印象。尽管马赫的批判并非无懈可击，但确实抓住了牛顿力学的某些弱点。特别是他对牛顿绝对时空观的批判，给爱因斯坦以重要的启示。他用怀疑和批判的眼光去看待物理学的传统观念，大胆地冲破经典时空间的束缚，并采用探索性演绎方法，即从一般到个别，从普遍到特殊的探求未知的方法，研究困扰已久的理论问题。

1905年是爱因斯坦的幸运年。他终于找到了新理论的突破口，领悟到同时性的相对性这一关键，这使他茅塞顿开：把狭义相对性原理（物理规律对一切惯性系等效）和光速不变原理作为公设。仅仅用了五、六周的时间，就一气呵成了科学史上的不朽篇章——《论动体的电动力学》，并于1905年9月在德国《物理学杂志》上发表，宣告了狭义相对论的诞生。它像“光彩夺目的火箭，在黑暗的夜空突然划出一道道短促的但又十分强烈的光辉，照亮了广阔的未知领域”。这是德布罗意对狭义相对论的评价。英费尔德认为这篇文章的“标题是很朴素的，但在读它时我们立刻注意到，这篇文章和同类文章大不相同。它既没有文献的引证，也没有援引权威著作，而不多的几个注脚也只是说明性的。文章是用简明朴素的语言写成的，即使对内容没有深刻的理解，也能看懂其中的一大部分”。

论文一开始，爱因斯坦就开门见山地提出了两条基本原理：相对性原理，即物理规律在所有惯性系中都是相同的；光速不变原理，即在所有惯性系中，真空中光的速度都是相同的。从这两条基本原理出发，爱因斯坦对物质的质量、运动、时间、空间，得出了不同于经典物理学的重要结论。

在时空观上，狭义相对论与经典物理学的不同点主要表现在以下几个方面。

第一，牛顿的绝对时空观，把时间和空间看作是没有物质内容的、独立的本体，都具有绝对的意义。因此，物体的长度、两事件之间的时间间隔以及两事件的同时性都与参照系的选择无关，是绝对的。

狭义相对论表明时间、空间同物质运动有密切联系。指出时间间隔和空间间隔的量度并不具有不变性，而是随着物质运动状态的变化而变化，与参照系的选择有关。为了说明同时性的相对性，他设计了“爱因斯坦列车”的思想实验：在一列匀速直线运行的列车中点燃一束光，与列车平行的地面上的观察者看到光线先后到达车头和车尾，而列车上的观察者却看到光线同时到达车头和车尾。从而形象地表明时空关系是具体的、相对的，脱离开物质及其运动去考虑时空的特性是无意义的。

第二，经典物理学认为时间和空间是互不相干的，时间本身是一独立的连续体，空间也可以脱离时间而存在。

狭义相对论揭示了时间和空间存在着内在的不可分割的联系。时间和空间既不能与物质运动相脱离，它们二者也不能相互割裂。自然界中根本不存在孤立的时间和孤立的空间；客观世界每一真实的物理过程，都总是在四维时空连续区中存在着。它们的运动状态必须用时间坐标和空间坐标一起来作全面的描述。

第三，经典物理学认为一切物体无论是在运动中还是静止时，它的长度总是一样的；时钟在运动和静止状态都将保持同样的时间。

狭义相对论认为这种假定是不合理的。它认为空间和时间是随着物体的运动而变化的。经典物理学的时空观在物体低速运动时才能适用。当物体高速运动时，运动物体上的时钟变慢，尺子变短。这就是狭义相对论中的“钟慢效应”和“尺缩效应”。

“钟慢尺缩”现象与钟的制法和尺子的构造无关，它是时间随物质运动而变化的结果。爱因斯坦曾指出，人的心脏也是一种钟表，如果一个人以接近于光速的速度旅行，他的心脏跳动会和他的呼吸以及一切生理作用一同缓慢下来，而其本人将觉察不到，因为他的钟表也同样地缓慢了。因此，许多科学幻想作品用它做题材，描写一个人坐光子火箭游太空，回来以后发现自己很年轻，而他的孙子已经白发苍苍了。

在质能观上，狭义相对论也不同于经典物理学。

经典物理学有一条原理，叫做质量守恒原理，即任何物体的质量是一定不变的，不管该物体是处于静止还是运动状态。例如，一列火车不管它是停在路轨上，或以每小时60公里的速度在地面上行驶，还是以每小时60万公里在空中飞驰，其质量都一样，永远不变。

狭义相对论则认为，物体的质量随运动而变化。同一物体在不同速度下有不同的质量。过去人们未曾发现这个事实，仅是因为人类的感官及当时的仪器不够精度，无法觉察这种无限小的质量上的变化。例如，速度达到每秒30公里的物体，质量只增加一亿分之一。若物体的速度为0.87C（C为光速，每秒30万公里）时，物体的质量就增加一倍，而当速度达0.994C时，物体的质量就加大十倍。

在狭义相对论建立以前，科学家想像宇宙是一个器皿装着两种截然不同的东西，即质和能。前者有惰性，是可捉摸的；后者是活泼的，不可见的。

爱因斯坦在狭义相对论中证明，质与能是同等的东西，质是能的集中。换言之，质就是能，能就是质，它们的区别只在于临时的状态。质量和能量又是相互转化的。因为运动物体的质量随着运动速度增加，又因为运动即是能量的一种形式，那么，运动物体质量的增加即由能量的增加得来。

爱因斯坦于同年9月在论文“物体的惯性同它所含的能量有关吗”中推导出了著名的质能关系式：E＝mcsupclass="calibre6"2/sup。其中，m是物质的质量，E为它所含有的能量，c是光速。

这个公式只说明质量为m的物质所蕴藏的全部能量是E＝mcsupclass="calibre6"2/sup，并不等于这些能量都可以释放出来。按照这个公式，1千克物质所含的能量竟等于燃烧250万吨优质煤所释放出的热能。它说明了放射性物质何以能释放巨大的能量，说明了太阳及一切恒星何以能发射光与热达亿万年之久。狭义相对论使质量守恒原理失去了独立性，它和能量守恒原理融合在一起了。今天，这个质能转化与守恒原理成了利用原子能的理论基础。

狭义相对论成功地揭示出时间与空间、物质与运动、能量和质量、动量和能量的统一性，把经典力学和经典电动力学统一起来了，它是人类理性思维的杰作。

刚刚诞生的相对论在当时确是“阳春白雪”，自然也就“和者益寡”了，但毕竟还是陆续遇到了知音人。法国著名物理学家普朗克是相对论的最早庇护人。他在回答奥地利教育部长问话时说：“如果爱因斯坦的理论被证明是正确的——这个我想没有问题——爱因斯坦将被认为是20世纪的哥白尼。”1905年底在柏林大学的讨论会上，普朗克作了评论相对论的演讲，给他的助手劳厄以极为深刻的印象，以至于劳厄利用假期到瑞士的伯尔尼专门拜访爱因斯坦。后来，劳厄在1911年写了第一部宣传狭义相对论的著作《相对性原理》，加速了人们对爱因斯坦学说的理解。

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