爱因斯坦的时钟：时间中的空间_完整_

爱因斯坦的时钟：时间中的空间

Peter Galison

苏俊斌曹婧译，杨舰校

1933年爱因斯坦曾说：“甚至在现代社会，有这样一些职业需要人们生活在与世隔绝的状态，并且不要求大的体力或脑力劳动。比如灯塔或灯船的检修工人。现在这样的职业也进入了思维领域。”1爱因斯坦指出，孤独对埋头于哲学和数学难题的年轻科学家来讲恰是一种完美的状态。我们不禁推测，年轻时爱因斯坦自己一定也是如此，他曾经赖于谋生的伯尔尼专利局正像是远洋中的一艘灯船。恰如理想世界中的图景，我们奉为哲学家-科学家的爱因斯坦，超然于其办公室的凡尘，为他的理论奠基，为牛顿的绝对时空观掘墓。

爱因斯坦推翻绝对时空观的意义，已经超越了对相对论的贡献，而成为哲学上颠覆一个旧时代进入一个新时代的象征。对诸如亨利·彭加勒（Henri Poincare），亨得里克·洛伦兹（Hendrik Lorentz），和马克斯·亚伯拉汉（Max Abraham）而言，爱因斯坦的狭义相对论另人吃惊，简直是莫名其妙，因为狭义相对论始于惯性运动中的物体、直尺和时钟的行为——简言之，始于那些前辈物理学家希望以关于电子结构、力的性质、以及以太动力学的初始假定加以证明的假定。不久，依照爱因斯坦采用直尺和协同时钟提出关于时空的半操作性定义，一代物理学家包括温纳·海森伯（Werner Heisenberg）和尼尔斯·玻尔（Niels Bohr）仿造出了量子认识论。对维也纳学派的哲学家包括莫里兹·石里克（Moritz Schlick）、鲁道夫·卡尔纳普（Rudolf Carnap）、以及菲利浦·弗兰克（Philipp Frank）来说，爱因斯坦狭义相对论的文章也是一个转折点，成为科学哲学的一面永远飘扬的旗帜。

因为所有这些原因，爱因斯坦1905年“关于动体的电动力学”成为20世纪著名的物理学论文。爱因斯坦的理论，正如通常所理解的那样，与旧经典力学的“现实”世界是如此激进的背离，以至于这个工作成为革命性分水岭的典范。半哲学半物理地，重新思考远程同时性已经成为20世纪物理学彻底突破19世纪物理学的象征。回顾这个争论的次序，爱因斯坦的出发点是断言在麦克斯韦方程的解释上有一个不对称，一个自然现象中没有的不对称（图1）。磁铁移近线圈时产生的电流等于线圈移近磁铁时产生的电流。爱因斯坦的观点认为这是同一个现象（线圈与磁铁靠近并在线圈中产生电流）。而根据通常的解释，麦克斯韦方程对所发生的这种现象给出了两个不同的说明，取决于线圈或磁铁相对无所不在的以太的运动。

1原注：除非标明，所有德语都是由本文作者Peter Galison翻译为英语。

Albert Einstein, speech delivered at the Royal Albert Hall, London, 3 Oct. 1933, in Einstein on Peace, ed. Otto

当线圈运动时，其中的电荷受到静态磁场力的作用；当磁铁运动时，变化的磁场产生一个电场驱动着电荷环绕固定的线圈运动。爱因斯坦旨在提出对称的解释，不区分到底是在线圈的参考系中给出的解释还是在磁铁的参考系中给出的解释。正如爱因斯坦的诊断，其问题是环境被赋予了“不完备的考虑”以至于电磁学总是依赖运动学（译注：原文为斜体字，下同）的观点，也就是说，在没有受力的情况下时钟和直尺如何表现。2

根据爱因斯坦的论点，坐标系是一个刚性测量尺的体系，体现着欧氏几何并且是能够以笛卡尔常规坐标描述。到目前为止还算顺利。接着出现了令人吃惊的部分：重新分析时间，同时性就如赫尔曼·闵可夫斯基（Hermann Minkowski）的看法那样是爱因斯坦论点的关键3。就如爱因斯坦所说：“我们必须考虑到，我们总是在同时事件的判断中察知时间。比如，如果我说‘火车7点到达这里，’那我的意思是说：‘我手表上的时针指向7和火车到达是同时事件’”（ “ZE,”p.893; “OE,”p. 393）。4对于一个点上的同时性来讲，没有问题：如果正当手表的时针指向7的时候一个事件在我手表边上发生（就是说，火车发动机到达我的旁边），那么两个事件被说成是同时的。爱因斯坦坚持认为，当我们必须考虑相互距离的事件时困难就来了：以何种意义说两个远程事件是同时的？

为了表述这个问题，在看似哲学的脉络里，爱因斯坦将思想实验推进到无限远离仪器的制约，更不用说专利局生涯的日常考虑。爱因斯坦质疑，我们应该如何校准时钟？“我们原则上可以通过借助一个位于坐标原点的时钟方向的观测者来使自己满足于时间事件，他以手里的表针校对从待定时事件发出的光信号的到达”（ “ZE,”p.893; “OE,” p.393;trans. mod）。哎呀，爱因斯坦注意到，因为光以有限速度传播，这个系统并不独立于带着中心时钟的观测者。根据一个原点被断定是同时的两个事件，如果这个原点运动，则这两个事件的观测结果

Nathan and Heinz Norden( New york, 1960), p.238.

2Einstein, “Zur Elektrodynamik bewegter Korper,” Annalen der Phisik 17 (1905): 892, 后面简写为 “ZE”; trans. Arthur I. Miller, 题为“On the Electrodynamics of Moving Boddies,” appendix in Albert Einstein’s special Theory of Relativity: Emergence(1905) and Early Interpretation(1905-1911)(Reading, Mass., 1981), p.393, 后面简写为“OE”

3参阅Peter Galison, “Minkowski’s Space-Time: From Visual Thinking to Absolute World,” Historical Studies in the Physical Sciences 10(1979): 85-121.

4We have all learn to read Einstein’s papers in no small measure through the extensive work by Gerald Holton, Thematic Origins of Scientific Thought: Kepler to Einstein (Cambridge, Mass., 1973). I also find very helpful the more recent work by Abraham Pais, Subtle Is the Lord (Oxford, 1982), and Andrew Warwick, “On the Role of the FitzGerald-Lorentz Contraction Hypothesis in the Development of Joseph Larmor’s Electronic Theory of Matter,” Archive for History of Extra Sciences 43, no. 1(1991): 29-91, “Cambridge Mathematics and Cavendish Physics: Cunningham, Campbell, and Einstein’s Relativity, 1905-1911, Part Ⅰ: The Users of Theory,” Studies in the History and Philosophy of Science 23 (Dec. 1992):625-56; “Cambridge Mathematics and Cavendish Physics: Cunningham, Campbell, and Einstein’s Relativity, 1905-1911, Part Ⅱ: Comparing Traditions in Cambridge Physics,” Studies in the History and Philosophy of Science 24 (Mar. 1993):1-25; Richard Staley, “On the History

of Relativity: The Propagation and Elaboration of Relativity Theory in Participant Histories in Germany, 1905-11,” Isis 89 (June 1998): 263-99; and Albrecht Folsing, Albert Einstein: A Biography, trans. Ewald Osers (New York, 1997), p.155.