關(guān)于愛(ài)因斯坦獻(xiàn)身科學(xué)的故事

【專家解說(shuō)】：愛(ài)因斯坦與相對(duì)論 ■狹義相對(duì)論的創(chuàng)立 早在16歲時(shí)，愛(ài)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(wèn)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(shuō)，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(shuō)。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(jué)。18世紀(jì)牛頓的微粒說(shuō)占了上風(fēng)，然而到了19世紀(jì)，卻是波動(dòng)說(shuō)占了絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，以太的學(xué)說(shuō)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ィ瑐鞑ス獠ǖ拿劫|(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(guò)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(lái)，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(lái)。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(wèn)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(guò)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(wèn)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(lái)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(shuō)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(wú)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(shuō)：“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(ài)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(ài)因斯坦廣泛關(guān)注物理學(xué)界的前沿動(dòng)態(tài)，在許多問(wèn)題上深入思考，并形成了自己獨(dú)特的見(jiàn)解。在十年的探索過(guò)程中，愛(ài)因斯坦認(rèn)真研究了麥克斯韋電磁理論，特別是經(jīng)過(guò)赫茲和洛倫茲發(fā)展和闡述的電動(dòng)力學(xué)。愛(ài)因斯坦堅(jiān)信電磁理論是完全正確的，但是有一個(gè)問(wèn)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(guò)研究愛(ài)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(méi)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(ài)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(wú)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(ài)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(wèn)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(wèn)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(ài)因斯坦留下了深刻的印象。 1905年5月的一天，愛(ài)因斯坦與一個(gè)朋友貝索討論這個(gè)已探索了十年的問(wèn)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(ài)因斯坦領(lǐng)悟到了什么，回到家經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，終于想明白了問(wèn)題。第二天，他又來(lái)到貝索家，說(shuō)：謝謝你，我的問(wèn)題解決了。原來(lái)愛(ài)因斯坦想清楚了一件事：時(shí)間沒(méi)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(kāi)鎖的鑰匙，經(jīng)過(guò)五個(gè)星期的努力工作，愛(ài)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(ài)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)怼?ài)因斯坦解決問(wèn)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(guò)相對(duì)性原理的思想，但他沒(méi)有對(duì)時(shí)間和空間給出過(guò)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(wèn)題上他是矛盾的。而愛(ài)因斯坦大大發(fā)展了相對(duì)性原理，在他看來(lái)，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(shuō)是狹義的相對(duì)性原理。在這篇文章中，愛(ài)因斯坦沒(méi)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(lái)的。這篇文章是愛(ài)因斯坦多年來(lái)思考以太與電動(dòng)力學(xué)問(wèn)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(lái)說(shuō)，我們會(huì)通過(guò)信號(hào)來(lái)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(méi)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(wú)窮后退，異地的同時(shí)性實(shí)際上無(wú)法確認(rèn)。不過(guò)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(shuō)這兩件事同時(shí)發(fā)生是沒(méi)有意義的。 光信號(hào)可能是用來(lái)對(duì)時(shí)鐘最合適的信號(hào)，但光速不是無(wú)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(guò)站臺(tái)時(shí)，甲站在站臺(tái)上，有兩道閃電在甲眼前閃過(guò)，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(guò)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(lái)說(shuō)，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(lái)的光信號(hào)。對(duì)乙來(lái)說(shuō)，這兩起事件是不同時(shí)的。也就是說(shuō)，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(wèn)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(ài)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(wú)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(lái)發(fā)展的原子能事業(yè)起到了指導(dǎo)作用。