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1905年，爱因斯坦在“相对性原理”和“光速不变原理”的基础上导出“洛伦兹变换”，建立起相对论（即今天所说的狭义相对论）的大厦。他给出了惯性系中“动尺缩短”、“动钟变慢”、“质能关系E=mc2”、“双生子佯谬”等重要而新奇的结论。相对论突破了牛顿理论的框架，展现出全新的物理体系和全新的时空观。 爱因斯坦指出，自己的相对论与牛顿的经典物理学的关键差别不在“相对性原理”，而在“光速不变原理”。因为伽利略早就正确地阐述了相对性原理，牛顿在自己的力学中也应用了这一原理。只是洛伦兹等人为了解释迈克耳孙实验，对相对性原理产生了怀疑，把水搞得有点浑。爱因斯坦说，我本人只是坚持了这一原理，并无特别的创新。 爱因斯坦认为，自己最大的突破是认识到光速是绝对的，真空中的光速不仅在同一惯性系中是均匀各向同性的，而且与观测者相对于光源的运动速度无关。 上句话的前一半说“光速在同一惯性系中均匀各向同性”，这是一个“约定”，即“规定”。只有做了这一“约定”，才可以校准不同地点的钟，从而可以在全空间定义统一的时间（这一点我们将在第九章作详细讨论）。应该说，这一约定是建立相对论的前提。 “光速不变原理”则是指上句话的后一半，“光速与观测者相对于光源的运动速度无关”。这一原理的意思是，相对于光源静止的观测者，迎着光束以速度v1相对于光源运动的观测者，以及顺着光的前进方向，以速度v2远离光源的观测者，测到的真空中的光速都是同一个c值。这确实是让人难以理解的。 而且，承认“光速不变原理”，就意味着必须承认“同时”这个观念不再是绝对的，而成了相对的。这就是说，在高速行驶的火车上，车上的人认为车头与车尾“同时”发生的两件事，在静止于地面上的观测者看来，不再是同时发生的。当然，由于火车速度不够高，在日常生活中这一效应看不出来，但是如果火车速度接近光速，这一效应将十分明显。 理解“光速的绝对性”，及其导致的“同时的相对性”，是十分困难的，这个难题曾经困扰了爱因斯坦很长时间，大约在一年以上。他一想通这点，所有的问题就迎刃而解了，“动钟变慢”、“动尺收缩”等相对论效应就都自然得出了。 洛伦兹与庞加莱都曾十分接近相对论的发现，但他们都没有认识到“光速不变原理”，没有谈论过、也根本没有想到过“同时”这个概念会是相对的，从而与相对论的发现失之交臂。  洛伦兹与庞加莱为相对论的发现做了许多奠基性的准备，但他们都因为没有认识到“光速不变原理”，而没能跨入相对论的大门。所以爱因斯坦是相对论的唯一创建人。 正当全世界为相对论的成功而欢欣鼓舞时，爱因斯坦本人却冷静地看到了自己的理论存在严重缺陷。 首先，作为“相对论”基础的惯性系，现在无法定义了。牛顿认为，存在绝对空间，所有相对于绝对空间静止和作匀速直线运动的参考系都是惯性系。爱因斯坦的相对论认为不存在绝对空间，牛顿定义惯性系的方法显然不适用了。 有人建议，把惯性系定义为，不受力的物体在其中保持静止或匀速直线运动状态的参考系，也即把牛顿第一定律（即惯性定律）视作惯性系的定义。 但是，什么叫不受力呢？有人以为，一个物体不与其他的物体接触，就肯定不受力。这种想法不对，因为自然界中还存在看不见摸不着的各种场，例如，引力场、电磁场等，它们都可能对物体“施力”。 也许有人会说，如果物体在惯性系中，保持静止或匀速直线运动的状态，就可以定义为“不受力”。读者一下就会看出，这里存在逻辑上的循环。定义“惯性系”要用到“不受力”。定义“不受力”，又要用到“惯性系”。这样的定义方式，在物理学中是不可接受的。 爱因斯坦注意到的另一个缺陷是，万有引力定律写不成相对论的形式。有几年，爱因斯坦致力于把万有引力定律纳入相对论的框架，几经失败后，他终于认识到，相对论容纳不了万有引力定律。 这两个缺陷非常严重。他的相对论是研究惯性系之间的关系的，也就是说，相对论是建立在惯性系的基础上的。现在，这个“基础”居然无法定义！另一方面，当时已知的力只有电磁力和万有引力两种，竟然其中的一种就放不进相对论的框架中，真是太令人遗憾了！ |
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