愛(ài)因斯坦的《相對(duì)論》手稿
1905年愛(ài)因斯坦發(fā)表《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》時(shí)，距離1686年牛頓發(fā)表《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》已經(jīng)過(guò)去了219年，經(jīng)典物理學(xué)歷經(jīng)這200多年的發(fā)展，已經(jīng)形成以牛頓力學(xué)、麥克斯韋電磁理論和經(jīng)典統(tǒng)計(jì)力學(xué)為支柱的嚴(yán)密而完整的理論體系。面對(duì)如此輝煌的成就，當(dāng)時(shí)大多數(shù)物理學(xué)家都深信，物理學(xué)的發(fā)展已經(jīng)至善至美。因?yàn)樗麄冋J(rèn)為絕大多數(shù)重要的基本原理已經(jīng)牢固地確立，經(jīng)典力學(xué)和經(jīng)典物理學(xué)已結(jié)合成嚴(yán)密而優(yōu)美的體系，物理學(xué)剩下的不過(guò)是解微分方程和具體應(yīng)用而已。
開(kāi)爾文勛爵1900年在皇家學(xué)會(huì)發(fā)表的《新年獻(xiàn)詞》中說(shuō)：“物理學(xué)大廈已經(jīng)建成，以后的工作僅僅是內(nèi)部的裝修和粉刷。大廈上空只漂浮著兩朵‘烏云’——邁克爾遜-莫雷試驗(yàn)結(jié)果和黑體輻射的紫外災(zāi)難?！弊寗拙魶](méi)有想到的是，為了解決這兩個(gè)看似輕飄飄的問(wèn)題，物理學(xué)界卻發(fā)生了一場(chǎng)大變革，不光導(dǎo)致了相對(duì)論和量子力學(xué)的誕生，也同時(shí)標(biāo)志著經(jīng)典物理學(xué)謝幕，現(xiàn)代物理學(xué)正式登場(chǎng)。而愛(ài)因斯坦正是拉開(kāi)新時(shí)代大幕的第一人。
受經(jīng)典力學(xué)思想影響，如水波的傳播要借助水，聲波的傳播要借助空氣一樣，物理學(xué)家認(rèn)為光波也需要借助某種介質(zhì)傳播，這種介質(zhì)被稱為“以太”。按照當(dāng)時(shí)的設(shè)想，以太應(yīng)當(dāng)充滿宇宙，無(wú)所不在，沒(méi)有質(zhì)量，絕對(duì)靜止，光波在其中傳播。假設(shè)太陽(yáng)靜止在以太系中，由于地球在圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)，相對(duì)于以太具有一個(gè)速度v，因此如果在地球上測(cè)量光速，在不同的方向上測(cè)得的數(shù)值應(yīng)該是不同的，最大為c+v，最小為c-v。即使太陽(yáng)在以太系上不是靜止的，這個(gè)推論也成立，總之，在地球上測(cè)量不同方向的光速，應(yīng)該是不同的。
1887年，美國(guó)物理學(xué)家邁克爾遜用他設(shè)計(jì)的高精度鏡式干涉儀和莫雷合作實(shí)驗(yàn)，打算通過(guò)光的干涉原理測(cè)量不同方向上的光速，從而得出地球在絕對(duì)以太空間運(yùn)行的速度v，從而證明以太的存在。這就是著名的邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)。讓邁克爾遜、莫雷以及其他物理學(xué)家迷惑不解的是，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是零，不同方向上的光速竟然完全沒(méi)有差異。難道以太并不存在？為何光速?zèng)]有受到地球運(yùn)動(dòng)的影響？這兩個(gè)疑問(wèn)就是開(kāi)爾文勛爵所說(shuō)的第一朵“烏云”。
1892年，荷蘭的物理學(xué)家洛倫茲為了解釋邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，獨(dú)立地提出了長(zhǎng)度收縮的假說(shuō)，認(rèn)為相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的物體，其運(yùn)動(dòng)方向上的長(zhǎng)度縮短了。1895年，他發(fā)表了長(zhǎng)度收縮的準(zhǔn)確公式。1899年，他在發(fā)表的論文里，討論了慣性系之間坐標(biāo)和時(shí)間的變換問(wèn)題。1904年，洛倫茲證明，當(dāng)把麥克斯韋的電磁場(chǎng)方程組用伽利略變換從一個(gè)參考系變換到另一個(gè)參考系時(shí)，真空中的光速將不是一個(gè)不變的量，從而導(dǎo)致對(duì)不同慣性系的觀察者來(lái)說(shuō)，麥克斯韋方程及各種電磁效應(yīng)可能是不同的。為了解決這個(gè)問(wèn)題，他發(fā)表了著名的變換公式（洛倫茲變換），并指出光速是物體相對(duì)于以太運(yùn)動(dòng)速度的極限。
“以太說(shuō)”曾經(jīng)在一段歷史時(shí)期內(nèi)是非常主流的物理學(xué)說(shuō)，愛(ài)因斯坦從小就對(duì)以太這種神秘的宇宙物質(zhì)很感興趣，他試圖在物理文獻(xiàn)中尋找地球在以太中運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，但是沒(méi)有成功。在大學(xué)的時(shí)候，他甚至設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置想通過(guò)測(cè)試不同方向上的反射光的能量差來(lái)證明以太的存在。雖然他沒(méi)條件做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，但是這個(gè)實(shí)驗(yàn)的思路與邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)非常相似，因此，當(dāng)他得知邁克爾遜的實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，他很快就得出了一個(gè)與眾不同的結(jié)論：如果相信邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)的各方向光速差值為零的結(jié)果，那么關(guān)于地球相對(duì)以太運(yùn)動(dòng)的想法就是錯(cuò)誤的。他說(shuō)道：“這是引導(dǎo)我走向狹義相對(duì)論的第一條途徑。自那以后，我開(kāi)始相信，雖然地球圍繞太陽(yáng)轉(zhuǎn)動(dòng)，但是，地球運(yùn)動(dòng)不可能通過(guò)任何光學(xué)實(shí)驗(yàn)探測(cè)出來(lái)?！?/p>
愛(ài)因斯坦的父親從小就打算把他培養(yǎng)成電機(jī)工程師，因此他十六七歲時(shí)就自學(xué)并弄懂了麥克斯韋的電磁學(xué)理論，他十分熟悉有關(guān)電動(dòng)力學(xué)的有關(guān)知識(shí)，他讀了洛倫茲的論文后就相信，麥克斯韋洛倫茲的電動(dòng)力學(xué)方程在推導(dǎo)上是正確的，和邁克爾遜-莫雷實(shí)驗(yàn)一樣可以推導(dǎo)出光速不變的結(jié)論。因此，洛倫茲的假說(shuō)在物理上沒(méi)有什么意義，也無(wú)法解釋為什么與經(jīng)典力學(xué)中速度相加原理相違背。
另外一個(gè)對(duì)愛(ài)因斯坦的發(fā)展影響很大的人是奧地利物理學(xué)家馬赫，他曾經(jīng)在《力學(xué)史評(píng)》中對(duì)牛頓的絕對(duì)時(shí)空觀進(jìn)行了有力的批判，這對(duì)愛(ài)因斯坦產(chǎn)生了深刻的影響。當(dāng)愛(ài)因斯坦花了差不多一年的時(shí)間去研究洛倫茲的理論時(shí)，他找到了解決所有的困難的辦法，那就是放棄以太，放棄絕對(duì)坐標(biāo)系，放棄絕對(duì)時(shí)間和絕對(duì)空間的概念，用相對(duì)性原理來(lái)解釋一切：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)參照系或坐標(biāo)系，都只有屬于這個(gè)參照系或坐標(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。一切迎刃而解，愛(ài)因斯坦在5周里就完成了論述狹義相對(duì)論原理的論文《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》，他后來(lái)回憶道：
一旦這種想法的正確性得到了承認(rèn)，最后成果就水到渠成了。任何聰明的大學(xué)生理解這些成果都不會(huì)有什么困難。但是，在一個(gè)人茅塞頓開(kāi)、恍然大悟之前，在黑暗中探索能感受到但又表達(dá)不出真理的那些年代里，那種強(qiáng)烈的求知欲望，那種時(shí)而有信心時(shí)而又產(chǎn)生疑慮的心理變化，只有親身經(jīng)歷的人才能知道是什么滋味。
首先注意到愛(ài)因斯坦的是普朗克，他是另一朵“烏云”的解答者：在研究黑體輻射問(wèn)題時(shí)，他提出了“能量量子化的假說(shuō)”，認(rèn)為在熱輻射過(guò)程中能量的放出和吸收都是以不連續(xù)方式進(jìn)行，能量的最小數(shù)值叫“量子”，它的數(shù)值取決于基本作用量“普朗克常數(shù)”，每次放出和吸收的輻射能都是這個(gè)數(shù)值的整數(shù)倍，他給出了黑體輻射的普朗克公式，圓滿解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。但是那時(shí)的他仍舊想把自己的理論納入經(jīng)典物理學(xué)的框架之下。他堅(jiān)持光的波動(dòng)理論，反對(duì)愛(ài)因斯坦的光量子理論，并說(shuō)：“光量子理論不是后退了幾十年，而是后退了幾百年，那時(shí)克里斯蒂安·惠更斯就用光的波動(dòng)論，打敗了已占據(jù)優(yōu)勢(shì)的牛頓的光的粒子論?！?/p>
有趣的是，雖然普朗克這么堅(jiān)決地反對(duì)愛(ài)因斯坦的光量子理論，直到1911年第一次索爾維會(huì)議上才被愛(ài)因斯坦說(shuō)服，但是這一點(diǎn)也不妨礙他發(fā)現(xiàn)了愛(ài)因斯坦的狹義相對(duì)論的重要意義。作為《物理學(xué)年鑒》的編輯委員，當(dāng)普朗克讀到愛(ài)因斯坦的《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》時(shí)，馬上就意識(shí)到了這個(gè)理論的革命性意義，他給愛(ài)因斯坦寫(xiě)了一封信，信中寫(xiě)道：“你這篇論文發(fā)表之后，將會(huì)發(fā)生這樣的戰(zhàn)斗，只有為哥白尼的世界觀進(jìn)行過(guò)的戰(zhàn)斗才能和它相比……”這個(gè)預(yù)言非常準(zhǔn)確，這篇論文所闡述的狹義相對(duì)論引發(fā)了一場(chǎng)最激烈的爭(zhēng)論，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了最初的哲學(xué)思想范疇，對(duì)自然科學(xué)的思想體系產(chǎn)生了極其深遠(yuǎn)的影響。
另一個(gè)率先意識(shí)到這一點(diǎn)的是愛(ài)因斯坦在蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院的數(shù)學(xué)老師閔可夫斯基，他很快理解并看出了學(xué)生的這篇《論動(dòng)體的電動(dòng)力學(xué)》的深刻意義，他引入四維張量理論描述狹義相對(duì)論，并在1907年發(fā)表了相關(guān)論文，在第二年的學(xué)術(shù)會(huì)議上做了題為《空間和時(shí)間》的學(xué)術(shù)報(bào)告，宣傳相對(duì)論的思想，其中有段著名的話廣為流傳：“先生們！我要向諸位介紹的空間和時(shí)間的觀念，是從實(shí)驗(yàn)物理學(xué)的土壤中生長(zhǎng)起來(lái)的，這就是它們力量的所在。這些觀念是帶有革命性的。從現(xiàn)在起，空間自身和時(shí)間自身消失在陰影之中了，現(xiàn)實(shí)中存在的只有空間和時(shí)間的統(tǒng)一體?！遍h可夫斯基的報(bào)告引起了與會(huì)者的巨大反響。可惜3個(gè)多月后，他就不幸患疾病去世了。閔可夫斯基在臨終時(shí)說(shuō)道：“在發(fā)展相對(duì)論的年代里死掉，真是太可惜了?！敝档眯牢康氖?，他的四維張量理論對(duì)幫助愛(ài)因斯坦用數(shù)學(xué)描述廣義相對(duì)論起到了重要作用。
相對(duì)論是愛(ài)因斯坦最杰出的成就，他隨后又花了10年時(shí)間，把相對(duì)論從慣性系推廣到非慣性系，將狹義相對(duì)論發(fā)展成為廣義相對(duì)論。1916年，愛(ài)因斯坦完成了長(zhǎng)篇論文《廣義相對(duì)論的基礎(chǔ)》，加上1915年愛(ài)因斯坦先后向普魯士科學(xué)院提交的4篇論文，宣告了廣義相對(duì)論的誕生。廣義相對(duì)論指出，物質(zhì)的存在會(huì)使空間和時(shí)間發(fā)生彎曲，而引力場(chǎng)實(shí)際上就是一個(gè)彎曲的時(shí)空。愛(ài)因斯坦用太陽(yáng)引力使空間彎曲的理論，很好地解釋了天文學(xué)觀察中發(fā)現(xiàn)的水星近日點(diǎn)進(jìn)動(dòng)中43秒的偏轉(zhuǎn)的現(xiàn)象。廣義相對(duì)論預(yù)言了強(qiáng)引力場(chǎng)中光譜向紅端移動(dòng)，后來(lái)也被天文學(xué)家證實(shí)。廣義相對(duì)論的最廣為人知的預(yù)言是恒星發(fā)出的星光在經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)會(huì)發(fā)生1.7秒的偏轉(zhuǎn)。
1919年，在相對(duì)論的狂熱支持者英國(guó)天文學(xué)家愛(ài)丁頓的爭(zhēng)取下，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(guò)艱苦而認(rèn)真的觀測(cè)得出最后的結(jié)論是：星光在太陽(yáng)附近的確發(fā)生了1.7秒的偏轉(zhuǎn)。英國(guó)皇家學(xué)會(huì)和皇家天文學(xué)會(huì)正式發(fā)表了觀測(cè)報(bào)告，確認(rèn)廣義相對(duì)論的結(jié)論是正確的。在宣讀會(huì)上，皇家學(xué)會(huì)會(huì)長(zhǎng)開(kāi)爾文勛爵說(shuō)：“這是自從牛頓時(shí)代以來(lái)所取得的關(guān)于萬(wàn)有引力理論的最重大的成果，愛(ài)因斯坦的相對(duì)論是人類(lèi)思想最偉大的成果之一?！?/p>
授權(quán)方：湖北科學(xué)技術(shù)出版社
作者：梁軍
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