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▲爱因斯坦（Albert.Einstein，1879年3月14日—1955年4月18日），出生于德国符腾堡王国乌尔姆市，毕业于苏黎世大学，犹太裔物理学家。
◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 爱因斯坦（1879-1955）的狭义相对论最终完美解释了迈克尔逊实验，从而让这个实验变成了对以太的否证。但爱因斯坦的出发点并不是要解释迈克尔逊实验，他是从某种更根本的理论问题开始思考的。 爱因斯坦经常提及相对论的思想源于他在16岁（图1）时做的一个思想实验，他说道：
▲图1 爱因斯坦在1894年 这个思想实验的悖谬之处，表面上看，就是说一个“冻结的波”在直觉上难以接受，但深层上说，这提示出牛顿与麦克斯韦之间早已存在的某种不协调之处。 我们知道，从伽利略到牛顿，经典力学已经给出了原始版本的“相对性原理”，简单来说，就是在匀速运动的船舱内（通过力学实验）你是无法发现自己究竟是静止还是运动的。地球在高速运动，而这种运动我们感觉不到，这就是相对性原理的体现。准确地说，就是力学的规律在一切“惯性系”中保持不变。无论是在地面上，还是船舱内，还是太空梭中，只要一个力学系统整体保持匀速运动，相互之间的力学规律应该是一致的。 但这里保持一致的力学规律仅限于牛顿力学，那么麦克斯韦的电动力学又如何呢？电动力学的规律在不同的惯性系中仍然保持一致吗？在高速运动的参照系内麦克斯韦的方程组需要重写吗？ 按照爱因斯坦的思想实验，麦克斯韦方程肯定是要重写了，从牛顿力学的角度看，以光速运动的参照系仍然是一个惯性系，其中的牛顿力学规律仍然一致，但电磁波都冻结了，电动力学肯定就失效了。 另一个不协调处也让爱因斯坦难以忍受，在电磁感应方面，磁体和线圈之间只要相对运动就会产生电流，但这个相对运动在经典力学中并未得到统一解释。当磁体运动时，解释是磁体在以太中运动会产生电场，而当线圈运动时，解释是线圈在磁场中运动会产生电流，这两种解释是不对称的。而根据相对性原理，磁体相对于线圈运动与线圈相对于磁体运动应当是完全等价的。 所以说爱因斯坦其实并不关心迈克尔逊实验的问题，他关心的是理论内部的协调性。狭义相对论的出发思想说来也很简单，就是要在电动力学里头贯彻相对性原理，也就是说，在不同的惯性系中，电磁学规律也保持不变。 ▲图2 爱因斯坦在1904年 于是爱因斯坦1905年提出狭义相对论的论文叫做“论动体的电动力学”，就是要讨论电动力学的一致性。 伽利略已经说过，在一个密闭的船舱内部，通过力学实验，是无法确认这艘船究竟是静止还是匀速直线运动的，那么爱因斯坦认为，通过电磁学实验也应该同样无法确认才对。 而传统的电磁学理论是依赖以太这一弥漫在全宇宙的介质的，而以太的存在提供了一个绝对的参照系，因此通过电磁学实验，也就是参照以太，理论上就可以区分出绝对的运动和静止。把相对性原理贯彻到电磁学，势必就要放弃静止的以太背景。 要让电磁学规律在惯性系中保持不变，一种办法是改写电磁学规律，即麦克斯韦方程，爱因斯坦也尝试过，结果无法让人满意。另一种办法就是保留麦克斯韦方程，认为在一切惯性系保持一致的电磁学规律恰好就是麦克斯韦方程。 而麦克斯韦方程中包含一个常数c，就是真空中的光速。如果要让麦克斯韦方程在一切惯性系下保持不变，那就意味着光速不变。 所以整个狭义相对论基于两条基本假说，一是相对性原理，二是光速不变。其实归根结底，关键就在于坚持测量的相对性。 但是要把这两条假说统一起来并不容易，因为这两条假说似乎是矛盾的，比如你在一列疾驰的火车上向车头方向发射一束光，你测量到的光速是c，那么站在站台上的我看见你从疾驰的火车上发射光束，那么我测量到的这束光的速度难道不应该是你相对于光速的速度c再加上我相对于你的速度，也就是火车的速度吗？怎么保持光速不变呢？ 爱因斯坦在1905年某天与好友贝索聊天时灵光一闪，想到了其中的关键。关键就在于“测量”这件事情也是相对的。要测量光速，你需要计时器，但“计时”这样一种活动究竟是什么意思呢？计时无非是某种对照不同事物的“同时性”的活动，我们说6点开始上课，意思是如果我们在听到上课铃打响的同时看手表，手表的指针恰好指向6点，如果我的手表不够准确，我只能寻找另一个更权威的计时器来校准。并没有一个超越于一切事物，游离于所有时钟之外的绝对的时钟，然后我们测量时间的时候拿着那个绝对时钟来对照。 既然时间的测量总是在两个相对的事物之间对照，那么，对于不同参照系下的测量者来说，这种对照的结果一定是一致的吗？爱因斯坦说，未必如此。 爱因斯坦举了一个例子来说明这件事情（图3），一个人在一辆飞驰的火车上，另一个人站在静止的站台上。现在，站台上的人观测到火车头尾两端的A、B两点“同时”被闪电击中，因为光从两端传播到中间所需要的时间是一样的。但对于火车上的观察者来说，当光从两端传播到他眼睛里时，他已经随着火车往前走了一段路，因此后端的闪光需要多传播一定距离才被看到，这样一来在他眼中这两道闪电并非同时。 ▲图3 那么究竟谁说得对呢，究竟这两道闪电谁先谁后呢？这里并没有一个绝对正确的答案。站在静止的站台上的测量者才是正确的吗？但静止和运动是相对的，我们可以说火车相对于站台运动，也可以说站台相对于火车运动。或者我们不妨设想情况发生在两列火车之上（假设它们在看不见外部的虚空中运行），这两列火车上的人只知道他们之间有相对运动，但不知道谁绝对运动，或谁绝对静止。那么对于同样两个事件，一列火车上的人认为是同时发生的，另一位火车上的人认为不同时，谁对谁错呢？这两人之间永远无法争出个所以然来，除非请出第三辆火车上的人帮他们裁决，但第三辆火车凭什么是对的呢？ 所以爱因斯坦的结论是，不存在绝对时间。对时间和空间的测量都依赖于各自的参照系，在站台上的人看来，火车上的人所使用的钟表变慢了，他们的尺子也缩短了，测量的相对性保证了光速的绝对性。 狭义相对论还有一些重要的推论，比如无法把任何物体加速到光速，以及著名的公式E=mC2。 ▲《过时的智慧——科学通史十五讲》 【本文摘自《过时的智慧——科学通史十五讲》第十五讲 相对测量：20世纪物理学革命，上海教育出版社，2016年7月出版。】 |
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