愛因斯坦是如何提出相對(duì)論的？

【專家解說】：　早在16歲時(shí)，愛因斯坦就從書本上了解到光是以很快速度前進(jìn)的電磁波，他產(chǎn)生了一個(gè)想法，如果一個(gè)人以光的速度運(yùn)動(dòng)，他將看到一幅什么樣的世界景象呢？他將看不到前進(jìn)的光，只能看到在空間里振蕩著卻停滯不前的電磁場(chǎng)。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(gè)名詞源于希臘，用以代表組成天上物體的基本元素。17世紀(jì)，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(jìn)一步發(fā)展了以太學(xué)說，認(rèn)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(rèn)為，發(fā)光體發(fā)射出的是以直線運(yùn)動(dòng)的微粒粒子流，粒子流沖擊視網(wǎng)膜就引起視覺。18世紀(jì)牛頓的微粒說占了上風(fēng)，然而到了19世紀(jì)，卻是波動(dòng)說占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，以太的學(xué)說也因此大大發(fā)展。當(dāng)時(shí)的看法是，波的傳播要依賴于媒質(zhì)，因?yàn)楣饪梢栽谡婵罩袀鞑?，傳播光波的媒質(zhì)是充滿整個(gè)空間的以太，也叫光以太。與此同時(shí)，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(dòng)力學(xué)理論——電動(dòng)力學(xué)，并從理論與實(shí)踐上將光和電磁現(xiàn)象統(tǒng)一起來，認(rèn)為光就是一定頻率范圍內(nèi)的電磁波，從而將光的波動(dòng)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(chǎng)的載體。直到19世紀(jì)末，人們企圖尋找以太，然而從未在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)以太。 　　但是，電動(dòng)力學(xué)遇到了一個(gè)重大的問題，就是與牛頓力學(xué)所遵從的相對(duì)性原理不一致。關(guān)于相對(duì)性原理的思想，早在伽利略和牛頓時(shí)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(yùn)動(dòng)物體的電磁過程時(shí)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(gè)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(gè)問題：適用于力學(xué)的相對(duì)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(yuǎn)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(xiàng)的測(cè)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?yàn)楹筌嚨墓馑?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(jì)理論物理學(xué)達(dá)到了巔峰狀態(tài)，但其中也隱含著巨大的危機(jī)。海王星的發(fā)現(xiàn)顯示出牛頓力學(xué)無比強(qiáng)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(yù)為“一座莊嚴(yán)雄偉的建筑體系和動(dòng)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(dá)到了近乎完美的程度。德國(guó)著名的物理學(xué)家普朗克年輕時(shí)曾向他的老師表示要獻(xiàn)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(huì)再有多大的發(fā)展了，將一生獻(xiàn)給這門學(xué)科，太可惜了?！? 　　愛因斯坦似乎就是那個(gè)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(dòng)態(tài)，在許多問題上深入思考，并形成了自己獨(dú)特的見解。在十年的探索過程中，愛因斯坦認(rèn)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(dòng)力學(xué)。愛因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的，但是有一個(gè)問題使他不安，這就是絕對(duì)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(yàn)都是失敗的。經(jīng)過研究愛因斯坦發(fā)現(xiàn)，除了作為絕對(duì)參照系和電磁場(chǎng)的荷載物外，以太在洛倫茲理論中已經(jīng)沒有實(shí)際意義。于是他想到：以及絕對(duì)參照系是必要的嗎？電磁場(chǎng)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(yíng)養(yǎng)，他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性。相對(duì)性原理已經(jīng)在力學(xué)中被廣泛證明，但在電動(dòng)力學(xué)中卻無法成立，對(duì)于物理學(xué)這兩個(gè)理論體系在邏輯上的不一致，愛因斯坦提出了懷疑。他認(rèn)為，相對(duì)論原理應(yīng)該普遍成立，因此電磁理論對(duì)于各個(gè)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(duì)性原理是否普遍成立的首要問題。當(dāng)時(shí)的物理學(xué)家一般都相信以太，也就是相信存在著絕對(duì)參照系，這是受到牛頓的絕對(duì)空間概念的影響。19世紀(jì)末，馬赫在所著的《發(fā)展中的力學(xué)》中，批判了牛頓的絕對(duì)時(shí)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(gè)朋友貝索討論這個(gè)已探索了十年的問題，貝索按照馬赫主義的觀點(diǎn)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(shí)間沒有絕對(duì)的定義，時(shí)間與光信號(hào)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(gè)星期的努力工作，愛因斯坦把狹義相對(duì)論呈現(xiàn)在人們面前。 　　1905年6月30日，德國(guó)《物理學(xué)年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動(dòng)體的電動(dòng)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(duì)論的第一篇文章，它包含了狹義相對(duì)論的基本思想和基本內(nèi)容。狹義相對(duì)論所根據(jù)的是兩條原理：相對(duì)性原理和光速不變?cè)?。愛因斯坦解決問題的出發(fā)點(diǎn)，是他堅(jiān)信相對(duì)性原理。伽利略最早闡明過相對(duì)性原理的思想，但他沒有對(duì)時(shí)間和空間給出過明確的定義。牛頓建立力學(xué)體系時(shí)也講了相對(duì)性思想，但又定義了絕對(duì)空間、絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)運(yùn)動(dòng)，在這個(gè)問題上他是矛盾的。而愛因斯坦大大發(fā)展了相對(duì)性原理，在他看來，根本不存在絕對(duì)靜止的空間，同樣不存在絕對(duì)同一的時(shí)間，所有時(shí)間和空間都是和運(yùn)動(dòng)的物體聯(lián)系在一起的。對(duì)于任何一個(gè)參照系和坐標(biāo)系，都只有屬于這個(gè)參照系和坐標(biāo)系的空間和時(shí)間。對(duì)于一切慣性系，運(yùn)用該參照系的空間和時(shí)間所表達(dá)的物理規(guī)律，它們的形式都是相同的，這就是相對(duì)性原理，嚴(yán)格地說是狹義的相對(duì)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(gè)大膽的假設(shè)，是從電磁理論和相對(duì)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(dòng)力學(xué)問題的結(jié)果，他從同時(shí)的相對(duì)性這一點(diǎn)作為突破口，建立了全新的時(shí)間和空間理論，并在新的時(shí)空理論基礎(chǔ)上給動(dòng)體的電動(dòng)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(shí)性的相對(duì)性？不同地方的兩個(gè)事件我們何以知道它是同時(shí)發(fā)生的呢？一般來說，我們會(huì)通過信號(hào)來確認(rèn)。為了得知異地事件的同時(shí)性我們就得知道信號(hào)的傳遞速度，但如何沒出這一速度呢？我們必須測(cè)出兩地的空間距離以及信號(hào)傳遞所需的時(shí)間，空間距離的測(cè)量很簡(jiǎn)單，麻煩在于測(cè)量時(shí)間，我們必須假定兩地各有一只已經(jīng)對(duì)好了的鐘，從兩個(gè)鐘的讀數(shù)可以知道信號(hào)傳播的時(shí)間。但我們?nèi)绾沃喇惖氐溺妼?duì)好了呢？答案是還需要一種信號(hào)。這個(gè)信號(hào)能否將鐘對(duì)好？如果按照先前的思路，它又需要一種新信號(hào)，這樣無窮后退，異地的同時(shí)性實(shí)際上無法確認(rèn)。不過有一點(diǎn)是明確的，同時(shí)性必與一種信號(hào)相聯(lián)系，否則我們說這兩件事同時(shí)發(fā)生是沒有意義的。 　　光信號(hào)可能是用來對(duì)時(shí)鐘最合適的信號(hào)，但光速不是無限大，這樣就產(chǎn)生一個(gè)新奇的結(jié)論，對(duì)于靜止的觀察者同時(shí)的兩件事，對(duì)于運(yùn)動(dòng)的觀察者就不是同時(shí)的。我們?cè)O(shè)想一個(gè)高速運(yùn)行的列車，它的速度接近光速。列車通過站臺(tái)時(shí)，甲站在站臺(tái)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(tái)的相應(yīng)部位留下痕跡，通過測(cè)量，甲與列車兩端的間距相等，得出的結(jié)論是，甲是同時(shí)看到兩道閃電的。因此對(duì)甲來說，收到的兩個(gè)光信號(hào)在同一時(shí)間間隔內(nèi)傳播同樣的距離，并同時(shí)到達(dá)他所在位置，這兩起事件必然在同一時(shí)間發(fā)生，它們是同時(shí)的。但對(duì)于在列車內(nèi)部正中央的乙，情況則不同，因?yàn)橐遗c高速運(yùn)行的列車一同運(yùn)動(dòng)，因此他會(huì)先截取向著他傳播的前端信號(hào)，然后收到從后端傳來的光信號(hào)。對(duì)乙來說，這兩起事件是不同時(shí)的。也就是說，同時(shí)性不是絕對(duì)的，而取決于觀察者的運(yùn)動(dòng)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(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間框架。 　　相對(duì)論認(rèn)為，光速在所有慣性參考系中不變，它是物體運(yùn)動(dòng)的最大速度。由于相對(duì)論效應(yīng)，運(yùn)動(dòng)物體的長(zhǎng)度會(huì)變短，運(yùn)動(dòng)物體的時(shí)間膨脹。但由于日常生活中所遇到的問題，運(yùn)動(dòng)速度都是很低的（與光速相比），看不出相對(duì)論效應(yīng)。 　　愛因斯坦在時(shí)空觀的徹底變革的基礎(chǔ)上建立了相對(duì)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(shí)，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(duì)后來發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導(dǎo)作用。 廣義相對(duì)論的建立 　　1905年，愛因斯坦發(fā)表了關(guān)于狹義相對(duì)論的第一篇文章后，并沒有立即引起很大的反響。但是德國(guó)物理學(xué)的權(quán)威人士普朗克注意到了他的文章，認(rèn)為愛因斯坦的工作可以與哥白尼相媲美，正是由于普朗克的推動(dòng)，相對(duì)論很快成為人們研究和討論的課題，愛因斯坦也受到了學(xué)術(shù)界的注意。 　　1907年，愛因斯坦聽從友人的建議，提交了那篇著名的論文申請(qǐng)聯(lián)邦工業(yè)大學(xué)的編外講師職位，但得到的答復(fù)是論文無法理解。雖然在德國(guó)物理學(xué)界愛因斯坦已經(jīng)很有名氣，但在瑞士，他卻得不到一個(gè)大學(xué)的教職，許多有名望的人開始為他鳴不平，1908年，愛因斯坦終于得到了編外講師的職位，并在第二年當(dāng)上了副教授。1912年，愛因斯坦當(dāng)上了教授，1913年，應(yīng)普朗克之邀擔(dān)任新成立的威廉皇帝物理研究所所長(zhǎng)和柏林大學(xué)教授。 　　在此期間，愛因斯坦在考慮將已經(jīng)建立的相對(duì)論推廣，對(duì)于他來說，有兩個(gè)問題使他不安。第一個(gè)是引力問題，狹義相對(duì)論對(duì)于力學(xué)、熱力學(xué)和電動(dòng)力學(xué)的物理規(guī)律是正確的，但是它不能解釋引力問題。牛頓的引力理論是超距的，兩個(gè)物體之間的引力作用在瞬間傳遞，即以無窮大的速度傳遞，這與相對(duì)論依據(jù)的場(chǎng)的觀點(diǎn)和極限的光速?zèng)_突。第二個(gè)是非慣性系問題，狹義相對(duì)論與以前的物理學(xué)規(guī)律一樣，都只適用于慣性系。但事實(shí)上卻很難找到真正的慣性系。從邏輯上說，一切自然規(guī)律不應(yīng)該局限于慣性系，必須考慮非慣性系。狹義相對(duì)論很難解釋所謂的雙生了佯謬，該佯謬說的是，有一對(duì)孿生兄弟，哥在宇宙飛船上以接近光速的速度做宇宙航行，根據(jù)相對(duì)論效應(yīng)，高速運(yùn)動(dòng)的時(shí)鐘變慢，等哥哥回來，弟弟已經(jīng)變得很老了，因?yàn)榈厍蛏弦呀?jīng)經(jīng)歷了幾十年。而按照相對(duì)性原理，飛船相對(duì)于地球高速運(yùn)動(dòng)，地球相對(duì)于飛船也高速運(yùn)動(dòng)，弟弟看哥哥變年輕了，哥哥看弟弟也應(yīng)該年輕了。這個(gè)問題簡(jiǎn)直沒法回答。實(shí)際上，狹義相對(duì)論只處理勻速直線運(yùn)動(dòng)，而哥哥要回來必須經(jīng)過一個(gè)變速運(yùn)動(dòng)過程，這是相對(duì)論無法處理的。正在人們忙于理解相對(duì)狹義相對(duì)論時(shí)，愛因斯坦正在接受完成廣義相對(duì)論。 　　1907年，愛因斯坦撰寫了關(guān)于狹義相對(duì)論的長(zhǎng)篇文章《關(guān)于相對(duì)性原理和由此得出的結(jié)論》，在這篇文章中愛因斯坦第一次提到了等效原理，此后，愛因斯坦關(guān)于等效原理的思想又不斷發(fā)展。他以慣性質(zhì)量和引力質(zhì)量成正比的自然規(guī)律作為等效原理的根據(jù)，提出在無限小的體積中均勻的引力場(chǎng)完全可以代替加速運(yùn)動(dòng)的參照系。愛因斯坦并且提出了封閉箱的說法：在一封閉箱中的觀察者，不管用什么方法也無法確定他究竟是靜止于一個(gè)引力場(chǎng)中，還是處在沒有引力場(chǎng)卻在作加速運(yùn)動(dòng)的空間中，這是解釋等效原理最常用的說法，而慣性質(zhì)量與引力質(zhì)量相等是等效原理一個(gè)自然的推論。 　　1915年11月，愛因斯坦先后向普魯士科學(xué)院提交了四篇論文，在這四篇論文中，他提出了新的看法，證明了水星近日點(diǎn)的進(jìn)動(dòng)，并給出了正確的引力場(chǎng)方程。至此，廣義相對(duì)論的基本問題都解決了，廣義相對(duì)論誕生了。1916年，愛因斯坦完成了長(zhǎng)篇論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》，在這篇文章中，愛因斯坦首先將以前適用于慣性系的相對(duì)論稱為狹義相對(duì)論，將只對(duì)于慣性系物理規(guī)律同樣成立的原理稱為狹義相對(duì)性原理，并進(jìn)一步表述了廣義相對(duì)性原理：物理學(xué)的定律必須對(duì)于無論哪種方式運(yùn)動(dòng)著的參照系都成立。 　　愛因斯坦的廣義相對(duì)論認(rèn)為，由于有物質(zhì)的存在，空間和時(shí)間會(huì)發(fā)生彎曲，而引力場(chǎng)實(shí)際上是一個(gè)彎曲的時(shí)空。愛因斯坦用太陽(yáng)引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)中一直無法解釋的43秒。廣義相對(duì)論的第二大預(yù)言是引力紅移，即在強(qiáng)引力場(chǎng)中光譜向紅端移動(dòng)，20年代，天文學(xué)家在天文觀測(cè)中證實(shí)了這一點(diǎn)。廣義相對(duì)論的第三大預(yù)言是引力場(chǎng)使光線偏轉(zhuǎn)，。最靠近地球的大引力場(chǎng)是太陽(yáng)引力場(chǎng)，愛因斯坦預(yù)言，遙遠(yuǎn)的星光如果掠過太陽(yáng)表面將會(huì)發(fā)生一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。1919年，在英國(guó)天文學(xué)家愛丁頓的鼓動(dòng)下，英國(guó)派出了兩支遠(yuǎn)征隊(duì)分赴兩地觀察日全食，經(jīng)過認(rèn)真的研究得出最后的結(jié)論是：星光在太陽(yáng)附近的確發(fā)生了一點(diǎn)七秒的偏轉(zhuǎn)。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)正式宣讀了觀測(cè)報(bào)告，確認(rèn)廣義相對(duì)論的結(jié)論是正確的。會(huì)上，著名物理學(xué)家、皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)湯姆孫說：“這是自從牛頓時(shí)代以來所取得的關(guān)于萬有引力理論的最重大的成果”，“愛因斯坦的相對(duì)論是人類思想最偉大的成果之一”。愛因斯坦成了新聞人物，他在1916年寫了一本通俗介紹相對(duì)認(rèn)的書《狹義相對(duì)論與廣義相對(duì)論淺說》，到1922年已經(jīng)再版了40次，還被譯成了十幾種文字，廣為流傳。 相對(duì)論的意義 　　狹義相對(duì)論和廣義相對(duì)論建立以來，已經(jīng)過去了很長(zhǎng)時(shí)間，它經(jīng)受住了實(shí)踐和歷史的考驗(yàn)，是人們普遍承認(rèn)的真理。相對(duì)論對(duì)于現(xiàn)代物理學(xué)的發(fā)展和現(xiàn)代人類思相的發(fā)展都有巨大的影響。　　相對(duì)論從邏輯思想上統(tǒng)一了經(jīng)典物理學(xué)，使經(jīng)典物理學(xué)成為一個(gè)完美的科學(xué)體系。狹義相對(duì)論在狹義相對(duì)性原理的基礎(chǔ)上統(tǒng)一了牛頓力學(xué)和麥克斯韋電動(dòng)力學(xué)兩個(gè)體系，指出它們都服從狹義相對(duì)性原理，都是對(duì)洛倫茲變換協(xié)變的，牛頓力學(xué)只不過是物體在低速運(yùn)動(dòng)下很好的近似規(guī)律。廣義相對(duì)論又在廣義協(xié)變的基礎(chǔ)上，通過等效原理，建立了局域慣性長(zhǎng)與普遍參照系數(shù)之間的關(guān)系，得到了所有物理規(guī)律的廣義協(xié)變形式，并建立了廣義協(xié)變的引力理論，而牛頓引力理論只是它的一級(jí)近似。這就從根本上解決了以前物理學(xué)只限于慣性系數(shù)的問題，從邏輯上得到了合理的安排。相對(duì)論嚴(yán)格地考察了時(shí)間、空間、物質(zhì)和運(yùn)動(dòng)這些物理學(xué)的基本概念，給出了科學(xué)而系統(tǒng)的時(shí)空觀和物質(zhì)觀，從而使物理學(xué)在邏輯上成為完美的科學(xué)體系。 　　狹義相對(duì)論給出了物體在高速運(yùn)動(dòng)下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并提示了質(zhì)量與能量相當(dāng)，給出了質(zhì)能關(guān)系式。這兩項(xiàng)成果對(duì)低速運(yùn)動(dòng)的宏觀物體并不明顯，但在研究微觀粒子時(shí)卻顯示了極端的重要性。因?yàn)槲⒂^粒子的運(yùn)動(dòng)速度一般都比較快，有的接近甚至達(dá)到光速，所以粒子的物理學(xué)離不開相對(duì)論。質(zhì)能關(guān)系式不僅為量子理論的建立和發(fā)展創(chuàng)造了必要的條件，而且為原子核物理學(xué)的發(fā)展和應(yīng)用提供了根據(jù)。 　　廣義相對(duì)論建立了完善的引力理論，而引力理論主要涉及的是天體。到現(xiàn)在，相對(duì)論宇宙學(xué)進(jìn)一步發(fā)展，而引力波物理、致密天體物理和黑洞物理這些屬于相對(duì)論天體物理學(xué)的分支學(xué)科都有一定的進(jìn)展，吸引了許多科學(xué)家進(jìn)行研究。 　　一位法國(guó)物理學(xué)家曾經(jīng)這樣評(píng)價(jià)愛因斯坦：“在我們這一時(shí)代的物理學(xué)家中，愛因斯坦將位于最前列。他現(xiàn)在是、將來也還是人類宇宙中最有光輝的巨星之一”，“按照我的看法，他也許比牛頓更偉大，因?yàn)樗麑?duì)于科學(xué)的貢獻(xiàn)，更加深入地進(jìn)入了人類思想基本要領(lǐng)的結(jié)構(gòu)中。”