狭义相对论的创立和爱因斯坦的科学思想

狭义相对论的创立和爱因斯坦的科学思想
马沁
（西南财经大学证券与期货学院金融学）
摘要：从迈一莫实验与相对论的创立的关系，对爱因斯坦创立相对论的思想过
程及其科学思想等进行了分析说明.
1.引言
1905年3月，一个26岁的瑞士专利局技术员在德国的《物理年报》登出了论文《关于光的产生和转化的一个启发性观点}，文中解决了经典物理学无法解释的光电效应；4月，他完成了《分子大小的新测定法；5月，他完成了《热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动》等两篇关于布朗运动的研究论文6月，他完成论文《论运动物体的电动力学》，创立了狭义相对论。

他就是著名的物理学阿尔伯特.爱因斯坦(Albert. Einstein)。

在这短短的几个月时间，爱因斯坦在科学研究上取得了突破性成就，特别是狭义相对论的创立，改变了牛顿力学的时空观念，创立了一个全新的物理学世界。

100年过去了，爱因斯坦在狭义相对论、广义相对论等方面的成就，在科学史上留下了不朽的丰碑.爱因斯坦的科学思想，以及他对哲学、宗教、教育、和平等问题的独到见解，又使他成为一位思想家，他的许多观念对科学、哲学和社会的发展产生了巨大的影响.鉴于这些影响，了解相对论的创立背景，客观地描述历史，客观地评价爱因斯坦的科学成果和科学思想是极其必要的。

2.“以太凤”的观测实验
笛卡儿1644 年发表的《哲学原理》中引用了以太的概念。

1678 年惠更斯把光振动类比于声振动，看成是以太中的弹性振动。

1800 年以后由于波动说的成功，以太说重新抬头。

在波动说的支持者看来光既然是一种波，那么必然存在着光波传播的媒质光以太。

随着电磁学的发展，以太在电磁学中也获得了地位。

麦克斯韦设想用以太的力学运动对电磁现象做出解释。

电磁波以光速传播的预言被证实后，使以太的存在在物理学界获得了广泛的承认。

既然光(电磁波)相对于以太的速度是各向同性的，而且恒等于C，那么人们就可以通过在不同的实验室(如地球)里观察光在不同方向速度的差异，即观测“以太风”以判定实验室相对于静止以太的运动状态，并反过来确定以太的存在。

这样“以太漂移”的实验观测，就被广泛地进行着。

英国天文学家布雷得利为了寻找地球公转所引起的恒星视差，从1725 年12 月到1726年12月持续进行观察，发现恒星表观位置在一年内确有变化.这就是所谓的"光行差"现象.这可以看作是探索"以太漂移"的早期观测。

菲涅耳于1818 年认为，地球是由多空的物质构成的，以太在其中穿过几乎不受什么阻碍，以太也许可以假定是静止的，要是这样，光行差现象便可以简单地加以说明问。

如果真如此，根据日常经验，坐在行驶着的汽车上的人，即使当时没有风，他也会感到有气流从脸旁吹过，这一经验恰巧暗示了科学家探测以太存在的证据——以太风。

1851 年的斐佐实验结果表明，空气对以太可能没有拖曳作用。

也就是说，在空气中进行光学实验，仍然可以把以太看作绝对静止的参照系，从而测量地球的绝对运动“仍有可能”。

初期探测以太运动的失败并未动摇物理学家对以太存在的信念。

1881年迈克尔孙设计了精
密度极高的迈克尔孙干涉仪，实验的结果表明以太被地球完全拖曳，或者根本不存在以太。

该实验的零结果引起了科学界的震惊，开尔文把它描述为笼罩在十九世纪光的动力理论上的阴云。

3.迈一莫实验与相对论的创立
初学狭义相对论的人往往认为迈克尔逊(Michelson)—莫雷(Morley)实验是相对论的实验基础和出发点，甚至有的教科书也这么说。

但是在爱因斯坦的《论运动物体的电动力学》一丈里，根本没有提及这一实验，而只是模糊地提及了这一类实验。

这是为什么呢？是爱因斯坦不知道这一实验，还是另有原因？回答这一问题还要从迈—莫实验的背景、目的和结果进行分析、由于牛顿力学的巨大成功，当时的物理现象都是用力学模型加以解释的。

在麦克斯韦方程组建立后，科学家们开始寻找真空中电磁披传播的力学模型一一以太。

早在1725年，英国的天文学家布莱克雷(James Bradley)发现的"恒星光行差"可以证明地球并不拖动着以太运动，即以太是静止的。

这样以太就可以为牛顿力学提供一个相对静止的参照系，地球相对于以太以一定的速度运动。

迈—莫实验的目的就是要证明以太的存在。

这一实验麦克尔逊1881年就开始做了，通常说的迈—莫实验是指1887年他俩合作的那次。

虽然实验设计很精巧，而且反复实验了多次，但是始终没有预期的结果，即寻找绝对参照系的企图失败了。

这引起了当时科学界的震惊，难道以太并不存在？麦克斯韦方程组的以太解释，以及经典物理学赖以建立的绝对时空受到了严重挑战。

后来，斐兹杰惹(Fizgerald)于1892年对这一现象给出了他的解释。

他认为以太理论是正确的，只是迈氏干涉仪沿地球运动方向的一臂缩短，使其恰好补偿了光沿两臂不同的有效速度造成的光程差，从而使两种效应抵消了.这就是斐兹杰惹—洛仑兹(Lorentz)运动收缩假设，这一假设在以太论的基础上对迈一莫实验的零结果给出了解释。

由此可见，迈氏实验的零结果既可以用以太论来解释，也可以用相对论来解释。

这一实验既不能否定光速不变，也不能肯定光速可变.这就是说，迈氏实验对相对论来说，逻辑上是不必要的。

所以，认为迈氏实验是相对论的实验基础的看法是欠妥的。

那么相对论是不是不需要实验基础呢？不是的，它的基础是半个多世纪的大量事实，这些事实只有用相对论来预见和解释，并可证明光速不变假设和相对性原理是正确的，其中比较著名的实验有:验证光速不变原理的实验、验证时间膨胀效应的实验、有关缓慢运动物体的电磁现象的实验、验证质量对速度的依赖关系的实验。

爱因斯坦提出狭义相对论以后，运用狭义相对论可以非常圆满地解释迈—莫实验的零结果。

相对论的一个基本假设是相对性原理一一所有物理定律在惯性系中都成立。

地球可以视为一高度近似的惯性参照系，所以实验肯定不会有预期的效应。

对迈氏实验的公正评价，正如爱因斯坦自己所说的，“迈克尔逊的这项工作是他对科学知识的不朽贡献，它的伟大之处在于以巧妙的方法达到了测量所要求的很高的精度，同样，也在于对问题大胆而清晰的表述.这一贡献，对于不存在绝对运动，因而也对于狭义相对论原理，是一个有力的论证……”，“在我的思维发展中，迈克尔逊的结果对我并没有产生多大影响。

我甚至不记得，在我写这个题目的第一篇论文时(1905年)，究竟是否知道它，对此的解释是，根据一般的理由，我坚信绝对运动是不存在的，而我所考虑的问题仅仅是这种情况如何能够同我们的电动力学知识协调起来。

因此，人们可以理解，为什么在我本人的努力中，迈克尔逊实验没有起什么作用，至少没起决定性作用。

”
1915年11月25日，爱因斯坦把题为“万有引力方程”的论文提交给了柏林的普鲁士科学院，完整地论述了广义相对论。

在这篇文章中他不仅解释了天文观测中发现的水星轨道近日点移动之谜，而且还预言：星光经过太阳会发生偏折，偏折角度相当于牛顿理论所预言的数值的两倍。

第一次世界大战延误了对这个数值的测定。

1919年5月25日的日全食给人们提供了大战后的第一次观测机会。

英国人爱丁顿奔赴非洲西海岸的普林西比岛，进行了这
一观测。

11月6日，汤姆逊在英国皇家学会和皇家天文学会联席会议上郑重宣布：得到证实的是爱因斯坦而不是牛顿所预言的结果。

他称赞道“这是人类思想史上最伟大的成就之一。

爱因斯坦发现的不是一个小岛，而是整整一个科学思想的新大陆。

泰晤士报以“科学上的革命”为题对这一重大新闻做了报道。

消息传遍全世界，爱因斯坦成了举世瞩目的名人。

广义相对论也被提高到神话般受人敬仰的宝座。

从那时以来，人们对广义相对论的实验检验表现出越来越浓厚的兴趣。

但由于太阳系内部引力场非常弱，引力效应本身就非常小，广义相对论的理论结果与牛顿引力理论的偏离很小，观测非常困难。

七十年代以来，由于射电天文学的进展，观测的距离远远突破了太阳系，观测的精度随之大大提高。

特别是1974年9月由麻省理工学院的泰勒和他的学生赫尔斯，用305米口径的大型射电望远镜进行观测时，发现了脉冲双星，它是一个中子星和它的伴星在引力作用下相互绕行，周期只有0.323天，它的表面的引力比太阳表面强十万倍，是地球上甚至太阳系内不可能获得的检验引力理论的实验室。

经过长达十余年的观测，他们得到了与广义相对论的预言符合得非常好的结果。

由于这一重大贡献，泰勒和赫尔斯获得了1993年诺贝尔物理奖。

狭义相对论建立以后，对物理学起到了巨大的推动作用。

并且深入到量子力学的范围，成为研究高速粒子不可缺少的理论，而且取得了丰硕的成果。

然而在成功的背后，却有两个遗留下的原则性问题没有解决。

第一个是惯性系所引起的困难。

抛弃了绝对时空后，惯性系成了无法定义的概念。

我们可以说惯性系是惯性定律在其中成立的参考系。

惯性定律实质是一个不受外力的物体保持静止或匀速直线运动的状态。

然而“不受外力”是什么意思?只能说，不受外力是指一个物体能在惯性系中静止或匀速直线运动。

这样，惯性系的定义就陷入了逻辑循环，这样的定义是无用的。

我们总能找到非常近似的惯性系，但宇宙中却不存在真正的惯性系，整个理论如同建筑在沙滩上一般。

第二个是万有引力引起的困难。

万有引力定律与绝对时空紧密相连，必须修正，但将其修改为洛伦兹变换下形势不变的任何企图都失败了，万有引力无法纳入狭义相对论的框架。

当时物理界只发现了万有引力和电磁力两种力，其中一种就冒出来捣乱，情况当然不会令人满意。

爱因斯坦只用了几个星期就建立起了狭义相对论，然而为解决这两个困难，建立起广义相对论却用了整整十年时间。

为解决第一个问题，爱因斯坦干脆取消了惯性系在理论中的特殊地位，把相对性原理推广到非惯性系。

因此第一个问题转化为非惯性系的时空结构问题。

在非惯性系中遇到的第一只拦路虎就是惯性力。

在深入研究了惯性力后，提出了著名的等效原理，发现参考系问题有可能和引力问题一并解决。

几经曲折，爱因斯坦终于建立了完整的广义相对论。

广义相对论让所有物理学家大吃一惊，引力远比想象中的复杂的多。

至今为止爱因斯坦的场方程也只得到了为数不多的几个确定解。

它那优美的数学形式至今令物理学家们叹为观止。

就在广义相对论取得巨大成就的同时，由哥本哈根学派创立并发展的量子力学也取得了重大突破。

然而物理学家们很快发现，两大理论并不相容，至少有一个需要修改。

于是引发了那场著名的论战：爱因斯坦VS哥本哈根学派。

直到现在争论还没有停止，只是越来越多的物理学家更倾向量子理论。

建立了广义相对论以后，爱因斯坦后来的约四十年的时间都用来探索统一场论，试图把引力和电磁力统一起来，以完成物理学的完全统一。

刚开始几年他十分乐观，以为胜利在握；后来发现困难重重。

当时的大部分物理学家并不看好他的工作，因此他的处境十分孤立。

虽然他始终没有取得突破性的进展，不过他的工作为物理
学家们指明了方向：建立包含四种作用力的超统一理论。

目前学术界公认的最有希望的候选者是超弦理论与超膜理论。

4.爱因斯坦创立相对论的思想过程
早在青年时代，爱因斯坦就开始思考一些看似天真、幼稚，却是十分大胆、具有创造性的问题.正是对这些问题的思考，最终引起了物理学的变革。

16岁时，他曾自问：若他能以光速运动，将会出现怎样的结果呢？按照牛顿力学，无论一个人受力多么小，只要加速的时间足够长，原则上这人最终可以达到、甚至超过光速。

假设开始时，人是静止的，有一列波从他旁边运动，那么这波应该呈规则的峰谷交替的振荡形式。

现在人以波速运动，方向与波的传播方向相同，波的振动现象就会消失，但麦克斯韦方程组并没有提供这一可能性。

那么，有两种可能：①方程组有错误；②观察者不能以光速运动。

正当其他科学家致力于对麦氏方程组做出力学解释(即以太解释)的时候，爱因斯坦敏锐地认识到，假若观察者以光速运动，必然违反相对性原理。

他举了一个绝妙的例子：假若一个人看着一面用电灯照亮的镜子，人是可以从镜子中看到自己的；若此人和镜子以光速运动，根据牛顿力学，电灯的光线永远不能到达镜子，该人在这个速度上也就从镜子里看不到自己，这就违背了相对性原理。

也就是说，允许使观察者加速到光速的牛顿力学，与电磁理论中的相对性原理不可能协调起来，而前者是错误的，错误的原因在于认为存在绝对时空。

所以，爱因斯坦首先抛弃了以太的概念.在他1905年的论文中，唯一提及以太的话是“光以太的引人将被证明是多余的，因为按这里的阐述，并不需要一个绝对静止的空间。

”同时，他把相对性原理和光速不变原理作为相对论的基本假设，由此推翻了绝对时空观的认识论。

应该指出的是，人们根据一个科学家的生活和思想来叙述科学史的时候，常常给人一种错觉，仿佛只有他一个人认识到和解决了一切基本问题，这是不符合历史事实的。

在爱因斯坦研究相对论的有关问题时，与他同代的一些科学家也在思考。

只是由于他们在经典物理学方面，懂得的东西和获得的利益太多了，使他们没有勇气突破它而落伍。

1904年，洛仑兹就发表了“在任何低于光速运动系统中的电磁现象”一文。

他在论文中指出，物体运动时会发生收缩，并给出著名的洛仑兹变换。

这一表达形式与爱因斯坦给出的变换极相似。

但是，二者却有本质区别，洛仑兹给出的变换，其前提是错误的，它建立在绝对时空观的基础上，承认以太的存在。

另外，彭加勒在1904年圣路易国际艺术和科学大会上，所做的“数学物理学的原理”一文的演讲中，也己清楚地陈述了“相对性原理”。

根据这一原理，不管对于一个固定不动的观察者还是对于一个均匀平移着的观察者来说，各种物理现象的规律应该是相同的；因此，我们既没有也不可能有任何方法来判断我们是否会处于匀速运动中。

但是，他又说相对性原理被解释为“数学家今天不得不努力追求的东西”这就使他的思想同爱因斯坦的思想区分开来。

虽然他指出的“同时性”分析同爱因斯坦指出的“同时性”很接近，还简化了洛仑兹变换的推导，并把它构成一个群一一彭加勒群.可是他所有研究的大前提仍然是存在着一个绝对静止的参照系，因而他也没有能够取得理论上的根本突破。

尽管洛仑兹、彭加勒等人的工作与爱因斯坦的相对论的结果截然不是一种观点，但形式上如此相似，是否说明爱因斯坦在创立相对论的过程中，受到了这些结论的启发？那么为什么他在1905年的论文中一点也未提及这些科学家及其成果？我们不妨从他的个人经历开始考察，正当迈克尔逊—莫雷实验吸引着爱因斯坦同代的科学家的时候，他本人却在为工作发愁。

毕业不久，他在苏黎世附近的温特尔的一个中等技术学校当临时教员，干了几个月就不得不离开那里。

后来，应征到一所寄宿学校当教师，干了一段时间又被解雇了。

1901年，他申请到伯尔尼专利局作检验工作，1902年6月才被录用。

并且在那里一干就是7年。

在
他发表相对论的第4年，即1909年，他才到苏黎世工业大学担任教学任务，他当时的名义只是专利局的-名三等技师，而且当时的苏黎世工业大学也是相当闭塞的，甚至连麦克斯韦方程组也未列入讲授内容之中。

所以，在他的论文发表之前，他没有接触同代科学家的研究成果就不足为奇了。

5.爱因斯坦的科学思想
4.1 坚持科学的唯物主义观念爱因斯坦在研究中始终以实验事实为出发点，而不是以先验的概念、规律为出发点。

所以当有人对迈—莫实验震惊、失望时，他只将其作为一种实验事实接受下来，他认为理论不应该只起源于思辨，理论应符合观察到的事实。

同样，他认为牛顿的“绝对时间”概念不是实验事实，不能被观察到.所以他认为对“同时”的概念必须借助于尺子、时钟和假想、实验重新定义。

正是这种用实验事实重新对时间、空间定义的思考，给物理学带来了从根本上的改变。

4.2 坚持物质世界的同一性思想爱因斯坦一直深信自然界的同一性，他的《论运动物体的电动力学》开始提出的问题就是：麦氏方程在伽利略变换下不是对称(不协变)的。

即牛顿力学下成立的伽利略变挟，在电动力学中不成立。

其原因是建立这一变换的基础，牛顿的绝对时间、绝对空间出现了问题。

经过时空观念的改变，确立时间和空间的内在联系，利用洛仑兹变换，不对称性就消失了。

同样的，狭义相对论建立后，它在惯性系和非惯性系下又出现了不对称性，爱因斯坦敏锐地感觉到下一相对论的时空观改革并不彻底，应该确立时空与运动之间不可分割的关系，这使得爱因斯坦1909年创立了广义相对论，从而解决了参照系不对称的问题。

4.3 具有独立思考、追求真理的探索精神爱因斯坦的成功，在于他对别人习以为常的现象进行独立、深入的思考。

时间、空间是物理学及的基础概念，人们对其习以为常，但时间、空间是如何定义的，让们之间有没有练习却少有人考虑。

当旧概念和理论与新的现象和理论矛盾时，他没有像众人一样热衷于对新现象的质疑或对旧理论的修补，二十独立分析和判断，从本质上找到问题所在。

这也是他能够创立相对论的重要原，因。

另外，爱因斯坦为世人敬仰的原因，还在于他的人生观、社会观。

《我的世界观》、《社会和人》、《为什么要社会主义》等文章，是爱因斯坦人生观、社会观的代表作。

青年时代的爱因斯坦在瑞士生活时，就对物质生活要求不高，有意大利面条加上一点酱他就感到很满意。

成名后，他是有条件得到很好的物质享受的，但是他仍保留着简朴无华的生活.相当了解他的英费尔德教授说爱因斯坦把自己的物质需求压缩到最少的限度，正因为如此他才能扩大自己的自由与无拘无束的状态……爱因斯坦谈薄名利、珍惜时间，他不喜欢参加社交活动与宴会，他集中精力专心钻研，不希望宝贵的时间消耗在无意义的社交谈话上，也不想昕那些奉承和赞扬的话。

爱因斯坦不仅是一个伟大的科学家，他关心人类的文明和进步，还是个和平主义者。

他亲眼目睹了第一次世界大战给人类带来的灾难和毁灭，他也感觉到了又一场世界大战正在德国酝酿，他向德国政府提出抗议，但徒劳无功.第二次世界大战时，他公开谴责德国法西斯的暴行，因此，成为德国纳粹分子追捕的对象。

他还谴责日本帝国主义对中国的侵略，他曾两次到上海，共停留了3天。

他目睹处于水深火热之中的中国人民，深感同情和不平，认为"这是一个勤劳的，在奴役下呻吟的，但却是顽强的民族晚年，他主张禁用核武器，反对核军备竞赛.临终前，他仍念念不忘公民自由和世界和平。

6.对狭义相对论创立历史的思考
从前面的讨论可以看出，面对19 世纪末实验和理论的冲突，洛伦兹、彭加勒、爱因斯
坦3人采取了不同的态度。

洛伦兹的思想从头到尾都固于经典的电磁理论，他的工作是忙于不断地提出新假设去应付越来越多的实验事实，由于他根本就没有考虑到要变革旧理论，于是即使当自己的工作十分接近于革命的时候（t'的提出) 却没有充分意识其重要性。

可以说，对哲学缺乏兴趣，而不像彭加勒那样经常从哲学的高度纵观全局，使他在某些方面没有达到彭加勒的认识高度，作为当时科学共同体忠实的一员，同化是至上的，顺应是次要的，这是当时洛伦兹认知结构的特点。

彭加勒和爱因斯坦的差别在于：对动力学的偏爱，使彭加勒无论如何也没有认识到收缩效应仅是一个运动学效应.这一点不仅阻止他向相对论的靠近，而且妨碍了他理解相对论。

另一方面，在对待科学与哲学的关系上，彭加勒十分注意哲学对其研究工作的影响，这一点使他站在了比洛伦兹更高的角度上，但由于他很少考虑相反的情况，即考虑科学研究对哲学的影响，使他的物理学思考限于已有的哲学模式(实证主义) ，不可能让思想自由地驰骋。

“从哲学上讲，彭加勒认为像相对论性原理和光速不变原理这样的基本原理都是从经验定律提升为公设的约定，它们不需要实验证实，也不能被实验否证；可是在处理具体物理问题时，他又把这两个基本原理视为经验定律，总是对它们放心不下，期待进一步的实验检。

”比如1906 年考夫曼（W. kauffmann）宣布关于电子的电磁质量的实验结果（后来证明是错误的）证实了阿伯拉罕（M. Abraham）的电子质量公式，而“与罗伦兹一爱因斯坦的基本假定不相容”。

罗伦兹、彭加勒很快放弃了质量随速度变化的猜想。

爱因斯坦就不同，他认为科学研究和哲学观点之间应该平衡发展，他重视经验，但又不拘泥于经验，面对考夫曼的实验结果，爱因斯坦认为问题可能在于实验本身不够精确。

果然，一年后布雪勒（A. H. Bucherer）用改进的方法测电子质量，得到的结果和罗伦兹一爱因斯坦公式符合甚好。

他让理论走在了实验的前头。

李醒民先生指出，从方法论上讲，罗伦兹和彭家勒基本上采取经验归纳法，而没有像爱因斯坦那样，顺应科学发展的需要，大胆采取探索性的演绎法。

罗伦兹电子论和彭加勒电子动力学都是采用经验归纳法，但这两种理论并不是相对论，因为用传统的归纳法是不可能达到像相对论这样高度思辨演绎体系的问.诚如爱因斯坦所言：“没有一种归纳法能够导致物理学的基本概念。

对这个事实的不了解，铸成了19 世纪多少研究者在哲学上的错误。

”
7.结论
今年是爱因斯坦逝世56周年.我们很难用有限的话语来悼念这位伟人，但我的眼前常常浮现出前苏联著名学者库兹涅佐夫著的一本书，书名是《爱因斯坦一一生死不朽》，常常浮现出那个有着孩子般眼神，叼着烟斗的慈祥老人，那个不朽的创立了相对论的天才，那个完全抛弃了科学的功利性和目的性，旨在追求“宇宙和谐”的科学巨匠，那个有着简单生活和深邃思想的老人。

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