有關愛因斯坦獻身科學的故事

【專家解說】：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，作為傳播光的媒質。其后，惠更斯進一步發(fā)展了以太學說，認為荷載光波的媒介物是以太，它應該充滿包括真空在內的全部空間，并能滲透到通常的物質中。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，然而到了19世紀，卻是波動說占了絕對優(yōu)勢，以太的學說也因此大大發(fā)展。當時的看法是，波的傳播要依賴于媒質，因為光可以在真空中傳播，傳播光波的媒質是充滿整個空間的以太，也叫光以太。與此同時，電磁學得到了蓬勃發(fā)展，經過麥克斯韋、赫茲等人的努力，形成了成熟的電磁現(xiàn)象的動力學理論——電動力學，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，電動力學遇到了一個重大的問題，就是與牛頓力學所遵從的相對性原理不一致。關于相對性原理的思想，早在伽利略和牛頓時期就已經有了。電磁學的發(fā)展最初也是納入牛頓力學的框架，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：適用于力學的相對性原理是否適用于電磁學？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于速度的說法明顯相悖。我們如何解決這一分歧呢？ 19世紀理論物理學達到了巔峰狀態(tài)，但其中也隱含著巨大的危機。海王星的發(fā)現(xiàn)顯示出牛頓力學無比強大的理論威力，電磁學與力學的統(tǒng)一使物理學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，古典物理學已經達到了近乎完美的程度。德國著名的物理學家普朗克年輕時曾向他的老師表示要獻身于理論物理學，老師勸他說：“年輕人，物理學是一門已經完成了的科學，不會再有多大的發(fā)展了，將一生獻給這門學科，太可惜了?！? 愛因斯坦似乎就是那個將構建嶄新的物理學大廈的人。在伯爾尼專利局的日子里，愛因斯坦廣泛關注物理學界的前沿動態(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，特別是經過赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動力學。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著作，并從哲學中吸收思想營養(yǎng)，他相信世界的統(tǒng)一性和邏輯的一致性。相對性原理已經在力學中被廣泛證明，但在電動力學中卻無法成立，對于物理學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，相對論原理應該普遍成立，因此電磁理論對于各個慣性系應該具有同樣的形式，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。當時的物理學家一般都相信以太，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》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，愛因斯坦領悟到了什么，回到家經過反復思考，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《物理學年鑒》接受了愛因斯坦的論文《論動體的電動力學》，在同年9月的該刊上發(fā)表。這篇論文是關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系，都只有屬于這個參照系和坐標系的空間和時間。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，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問題的結果，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上給動體的電動力學以完整的形式，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。但我們如何知道異地的鐘對好了呢？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，這樣就產生一個新奇的結論，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)。這一結論否定了牛頓力學中引以為基礎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，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。 愛因斯坦在時空觀的徹底變革的基礎上建立了相對論力學，指出質量隨著速度的增加而增加，當速度接近光速時，質量趨于無窮大。他并且給出了著名的質能關系式：E=mc2，質能關系式對后來發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導作用。