1、图书在版编目(CIP)数据狭义与广义相对论浅说/（美）爱因斯坦（Einstein,A.）著；杨润殷译. -北京： 北京大学出版社，2006.1(科学素养文库科学元典丛书)ISBN 7-301-09562-7. 狭. 爱杨. 狭义相对论广义相对论. 0412.1中国版本图书馆CIP数据核字 (2005) 第096661号书名： 狭义与广义相对论浅说著作责任者：美 爱因斯坦 著 杨润殷 译 胡刚 复校丛书策划： 周雁翎丛书主持： 陈斌惠责任编辑： 陈斌惠标准书号： ISBN 7-301-09562-7/K0412出版发行： 北京大学出版社地址： 北京市海淀区成府路205号100871网址： htt
2、p:/电子信箱：电话： 邮购部62752015发行部62750672编辑部62767346排版者： 兴盛达打字服务社82715400印刷者：787毫米1092毫米16开本18印张16插页233千字2006年1月第1版2006年1月第1次印刷定价： 32.00元未经许可，不得以任何方式复制或抄袭本书之部分或全部内容。版权所有，翻版必究盗版举报电话： （010）62752017 62752033弁言这套丛书中收入的著作，是自文艺复兴时期现代科学诞生以来，经过足够长的历史检验的科学经典。为了区别于时下被广泛使用的“经典”一词，我们称之为“科学元典”。我们这里所说的“经典”，不同于歌迷们所说的“经典”
3、，也不同于表演艺术家们朗诵的“科学经典名篇”。受歌迷欢迎的流行歌曲属于“当代经典”，实际上是时尚的东西，其含义与我们所说的代表传统的经典恰恰相反。表演艺术家们朗诵的“科学经典名篇”多是表现科学家们的情感和生活态度的散文，甚至反映科学家生活的话剧台词，它们可能脍炙人口，是否属于人文领域里的经典姑且不论，但基本上没有科学内容。并非著名科学大师的一切言论或者是广为流传的作品都是科学经典。这里所谓的科学元典，是指科学经典中最基本、最重要的著作，是在人类智识史和人类文明史上划时代的丰碑，是理性精神的载体，具有永恒的价值。一科学元典或者是一场深刻的科学革命的丰碑，或者是一个严密的科学体系的构架，或者是一个
4、生机勃勃的科学领域的基石。它们既是昔日科学成就的创造性总结，又是未来科学探索的理性依托。哥白尼的天体运行论是人类历史上最具革命性的震撼心灵的著作，它向统治西方思想千余年的地心说发出了挑战，动摇了“正统宗教”学说的天文学基础。伽利略关于托勒密与哥白尼两大世界体系的对话以确凿的证据进一步论证了哥白尼学说，更直接地动摇了教会所庇护的托勒密学说。哈维的心血运动论以对人类躯体和心灵的双重关怀，满怀真挚的宗教情感，阐述了血液循环理论，推翻了同样统治西方思想千余年、被“正统宗教”所庇护的盖伦学说。笛卡尔的几何不仅创立了为后来诞生的微积分提供了工具的解析几何，而且折射出影响万世的思想方法论。牛顿的自然哲学之数
5、学原理标志着17世纪科学革命的顶点，为后来的工业革命奠定了科学基础。分别以惠更斯的光论与牛顿的光学为代表的波动说与微粒说之间展开了长达200余年的论战。拉瓦锡在化学基础论中详尽论述了氧化理论，推翻了统治化学百余年之久的燃素理论，这一智识壮举被公认为历史上最自觉的科学革命。道尔顿的化学哲学新体系奠定了物质结构理论的基础，开创了科学中的新时代，使19世纪的化学家们有计划地向未知领域前进。傅立叶的热的解析理论以其对热传导问题的精湛处理，突破了牛顿原理所规定的理论力学范围，开创了数学物理学的崭新领域。达尔文物种起源中的进化论思想不仅在生物学发展到分子水平的今天仍然是科学家们阐释的对象，而且100多年来
6、几乎在科学、社会和人文的所有领域都在施展它有形和无形的影响。基因论揭示了孟德尔式遗传性状传递机理的物质基础，把生命科学推进到基因水平。爱因斯坦的狭义与广义相对论浅说和薛定谔的关于波动力学的四次演讲分别阐述了物质世界在高速和微观领域的运动规律，完全改变了自牛顿以来的世界观。魏格纳的海陆的起源提出了大陆漂移的猜想，为当代地球科学提供了新的发展基点。维纳的控制论揭示了控制系统的反馈过程，普里戈金的从存在到演化发现了系统可能从原来无序向新的有序态转化的机制，二者的思想在今天的影响已经远远超越了自然科学领域，影响到经济学、社会学、政治学等领域。弁言 科学元典的永恒魅力令后人特别是后来的思想家为之倾倒。欧
7、几里得的几何原本以手抄本形式流传了1800余年，又以印刷本用各种文字出了1000版以上。阿基米德写了大量的科学著作，达芬奇把他当作偶像崇拜，热切搜求他的手稿。伽利略以他的继承人自居。莱布尼兹则说，了解他的人对后代杰出人物的成就就不会那么赞赏了。为捍卫天体运行论中的学说，布鲁诺被教会处以火刑。伽利略因为其关于托勒密与哥白尼两大世界体系的对话一书，遭教会的终身监禁，备受折磨。伽利略说吉尔伯特的论磁一书伟大得令人嫉妒。拉普拉斯说，牛顿的自然哲学之数学原理揭示了宇宙的最伟大定律，它将永远成为深邃智慧的纪念碑。拉瓦锡在他的化学基础论出版后5年被法国革命法庭处死，传说拉格朗日悲愤地说，砍掉这颗头颅只要一瞬
8、间，再长出这样的头颅一百年也不够。化学哲学新体系的作者道尔顿应邀访法，当他走进法国科学院会议厅时，院长和全体院士起立致敬，得到拿破仑未曾享有的殊荣。傅立叶在热的解析理论中阐述的强有力的数学工具深深影响了整个现代物理学，推动数学分析的发展达一个多世纪，麦克斯韦称赞该书是“一首美妙的诗”。当人们咒骂物种起源是“魔鬼的经典”、“禽兽的哲学”的时候，赫胥黎甘做“达尔文的斗犬”，挺身捍卫进化论，撰写了进化论与伦理学和人类在自然界的位置，阐发达尔文的学说。经过严复的译述，赫胥黎的著作成为维新领袖、辛亥精英、五四斗士改造中国的思想武器。爱因斯坦说法拉第在电学实验研究中论证的磁场和电场的思想是自牛顿以来物理学
9、基础所经历的最深刻变化。在科学元典里，有讲述不完的传奇故事，有颠覆思想的心智波涛，有激动人心的理性思考，有万世不竭的精神甘泉。二按照科学计量学先驱普赖斯等人的研究，现代科学文献在多数时间里呈指数增长趋势。现代科学界，相当多的科学文献发表之后，并没有任何人引用。就是一时被引用过的科学文献，很多没过多久就被新的文献所淹没了。科学注重的是创造出新的实在知识。从这个意义上说，科学是向前看的。但是，我们也可以看到，这么多文献被淹没，也表明划时代的科学文献数量是很少的。大多数科学元典不被现代科学文献所引用，那是因为其中的知识早已成为科学中无须证明的常识了。即使这样，科学经典也会因为其中思想的恒久意义，而像
10、人文领域里的经典一样，具有永恒的阅读价值。于是，科学经典就被一编再编、一印再印。早期诺贝尔奖得主奥斯特瓦尔德编的物理学和化学经典丛书精密自然科学经典从1889年开始出版，后来以奥斯特瓦尔德经典著作为名一直在编辑出版，有资料说目前已经出版了250余卷。祖德霍夫编辑的医学经典丛书从1910年就开始陆续出版了。也是这一年，蒸馏器俱乐部编辑出版了20卷蒸馏器俱乐部再版本丛书，丛书中全是化学经典，这个版本甚至被化学家在20世纪的科学刊物上发表的论文所引用。一般把1789年拉瓦锡的化学革命当作现代化学诞生的标志，把1914年爆发的第一次世界大战称为化学家之战。奈特把反映这个时期化学的重大进展的文章编成一卷
11、，把这个时期的其他9部总结性化学著作各编为一卷，辑为10卷17891914年的化学发展丛书，于1998年出版。像这样的某一科学领域的经典丛书还有很多很多。科学领域里的经典，与人文领域里的经典一样，是经得起反复咀嚼的。两个领域里的经典一起，就可以勾勒出人类智识的发展轨迹。正因为如此，在发达国家出版的很多经典丛书中，就包含了这两个领域的重要著作。1924年起，沃尔科特开始主编一套包括人文与科学两个领域的原始文献丛书。这个计划先后得到了美国哲学协会、美国科学促进会、科学史学会、美国人类学协会、美国数学协会、美国数学学会以及美国天文学学会的支持。1925年，这套丛书中的天文学原始文献和数学原始文献出版
12、，这两本书出版后的25年内市场情况一直很好。1950年，他把这套丛书中的科学经典部分发展成为科学史原始文献丛书出版。其中有希腊科学原始文献、中世纪科学原始文献和20世纪（19001950年）科学原始文献，文艺复兴至19世纪则按科学学科（天文学、数学、物理学、地质学、动物生物学以及化学诸卷）编辑出版。约翰逊、米利肯和威瑟斯庞三人主编的大师杰作丛书中，包括了小尼德勒编的3卷科学大师杰作，后者于1947年初版，后来多次重印。在综合性的经典丛书中，影响最为广泛的当推哈钦斯和艾德勒1943年开始主持编译的西方世界伟大著作丛书。这套书耗资200万美元，于1952年完成。丛书根据独创性、文献价值、历史地位和
13、现存意义等标准，选择出74位西方历史文化巨人的443部作品，加上丛书导言和综合索引，辑为54卷，篇幅250万单词，共32000页。丛书中收入不少科学著作。购买丛书的不仅有“大款”和学者，而且还有屠夫、面包师和烛台匠。迄1965年，丛书已重印30次左右，此后还多次重印，任何国家稍微像样的大学图书馆都将其列入必藏图书之列。这套丛书是20世纪上半叶在美国大学兴起而后扩展到全社会的经典著作研读运动的产物。这个时期，美国一些大学的寓所、校园和酒吧里都能听到学生讨论古典佳作的声音。有的大学要求学生必须深研100多部名著，甚至在教学中不得使用最新的实验设备而是借助历史上的科学大师所使用的方法和仪器复制品去再
14、现划时代的著名实验。至1940年代末，美国举办古典名著学习班的城市达300个，学员约50000余众。相比之下，国人眼中的经典，往往多指人文而少有科学。一部公元前300年左右古希腊人写就的几何原本，从1592年到1605年的13年间先后3次汉译而未果，经17世纪初和1850年代的两次努力才分别译刊出全书来。近几百年来移译的西学典籍中，成系统者甚多，但皆系人文领域。汉译科学著作，多为应景之需，所见典籍寥若晨星。借1970年代末举国欢庆“科学春天”到来之良机，有好尚者发出组译出版自然科学世界名著丛书的呼声，但最终结果却是好尚者抱憾而终。1990年代初出版的科学名著文库，虽使科学元典的汉译初见系统，但
15、以10卷之小的容量投放于偌大的中国读书界，与具有悠久文化传统的泱泱大国实不相称。我们不得不问：一个民族只重视人文经典而忽视科学经典，何以自立于当代世界民族之林呢？三科学元典是科学进一步发展的灯塔和坐标。它们标识的重大突破，往往导致的是常规科学的快速发展。在常规科学时期，人们发现的多数现象和提出的多数理论，都要用科学元典中的思想来解释。而在常规科学中发现的旧范型中看似不能得到解释的现象，其重要性往往也要通过与科学元典中的思想的比较显示出来。在常规科学时期，不仅有专注于狭窄领域常规研究的科学家，也有一些从事着常规研究但又关注着科学基础、科学思想以及科学划时代变化的科学家。随着科学发展中发现的新现象
16、，这些科学家的头脑里自然而然地就会浮现历史上相应的划时代成就。他们会对科学元典中的相应思想，重新加以诠释，以期从中得出对新现象的说明，并有可能产生新的理念。百余年来，达尔文在物种起源中提出的思想，被不同的人解读出不同的信息。古脊椎动物学、古人类学、进化生物学、遗传学、动物行为学、社会生物学等领域的几乎所有重大发现，都要拿出来与物种起源中的思想进行比较和说明。玻尔在揭示氢光谱的结构时，提出的原子结构就类似于哥白尼等人的太阳系模型。现代量子力学揭示的微观物质的波粒二象性，就是对光的波粒二象性的拓展，而爱因斯坦揭示的光的波粒二象性就是在光的波动说和粒子说的基础上，针对光电效应，提出的全新理论。而正是
17、与光的波动说和粒子说二者的困难的比较，我们才可以看出光的波粒二象性说的意义。可以说，科学元典是时读时新的。除了具体的科学思想之外，科学元典还以其方法学上的创造性而彪炳史册。这些方法学思想，永远值得后人学习和研究。当代研究人的创造性的诸多前沿领域，如认知心理学、科学哲学、人工智能、认知科学等等，都涉及对科学大师的研究方法的研究。一些科学史学家以科学元典为基点，把触角延伸到科学家的信件、实验室记录、所属机构的档案等原始材料中去，揭示出许多新的历史现象。近二十多年兴起的机器发现，首先就是对科学史学家提供的材料，编制程序，在机器中重新做出历史上的伟大发现。借助于人工智能手段，人们已经在机器上重新发现了
18、波义耳定律、开普勒行星运动第三定律，提出了燃素理论。萨伽德甚至用机器研究科学理论的竞争与接受，系统研究了拉瓦锡氧化理论、达尔文进化学说、魏格纳大陆漂移说、哥白尼日心说、牛顿力学、爱因斯坦相对论、量子论以及心理学中的行为主义和认知主义形成的革命过程和接受过程。除了这些对于科学元典标识的重大科学成就中的创造力的研究之外，人们还曾经大规模地把这些成就的创造过程运用于基础教育之中。美国兴起的发现法教学，就是几十年前在这方面的尝试。近二十多年来，兴起了基础教育改革的全球浪潮，其目标就是提高学生的科学素养，改变片面灌输科学知识的状况。其中的一个重要举措，就是在教学中加强科学探究过程的理解和训练。因为，单就
19、科学本身而言，它不仅外化为工艺、流程、技术及其产物等器物形态、直接表现为概念、定律和理论等知识形态，更深蕴于其特有的思想、观念和方法等精神形态之中。没有人怀疑，我们通过阅读今天的教科书就可以方便地学到科学元典著作中的科学知识，而且由于科学的进步，我们从现代教科书上所学的知识甚至比经典著作中的更完善。但是，教科书所提供的只是结晶状态的凝固知识，而科学本是历史的、创造的、流动的，在这历史、创造和流动过程之中，一些东西蒸发了，另一些东西积淀了，只有科学思想、科学观念和科学方法保持着永恒的活力。然而，遗憾的是，我们的基础教育课本和不少科普读物中讲的许多科学史故事都是误讹相传的东西。比如，把血液循环的发
20、现归于哈维，指责道尔顿提出二元化合物的元素原子数最简比是当时的错误，讲伽利略在比萨斜塔上做过落体实验，宣称牛顿提出了牛顿定律的诸数学表达式，等等。好像科学史就像网络上传播的八卦那样简单和耸人听闻。为避免这样的误讹，我们不妨读一读科学元典，看看历史上的伟人当时到底是如何思考的。现在，我们的大学正处在席卷全球的通识教育浪潮之中。就我的理解，通识教育固然要对理工农医专业的学生开设一些人文社会科学的导论性课程，要对人文社会科学专业的学生开设一些理工农医的导论性课程，但是，我们也可以考虑适当跳出专与博、文与理的关系的思考路数，对所有专业的学生开设一些真正通而识之的综合性课程，或者倡导这样的阅读活动、讨论
21、活动、交流活动甚至跨学科的研究活动，发掘文化遗产、分享古典智慧、继承高雅传统，把经典与前沿、传统与现代、创造与继承、现实与永恒等事关全民素质、民族命运和世界使命的问题联合起来进行思索。我们面对不朽的理性群碑，也就是面对永恒的科学灵魂。在这些灵魂面前，我们不是要顶礼膜拜，而是要认真研习解读，读出历史的价值，读出时代的精神，把握科学的灵魂。我们要不断吸取深蕴其中的科学精神、科学思想和科学方法，并使之成为推动我们前进的伟大精神力量。需要说明的是，编辑科学元典丛书的计划，曾经得益于彭小华先生及李兵先生的支持。1990年代初，在科学史学界一些前辈学者和同辈朋友的帮助下，我主编了科学名著文库，由武汉出版社
22、出版。十多年过去了，我更加意识到编辑和出版科学元典丛书的意义。现在，在北京大学出版社的支持下，我们得到原科学名著文库以及其他汉译科学元典译者的帮助和配合，编辑出科学素养文库科学元典丛书（第一辑），奉献给读者。这套丛书的前期组织工作，还得到了中国科学技术协会科普专项资助。当然，科学经典很多。我们不可能把所有科学经典毫无遗漏地都收进这套丛书中来。我们期待着，继第一辑之后，这套丛书还会有第二辑、第三辑的出版。当然，这需要有更多的优秀译者加入我们的行列。任定成2005年8月6日北京大学承泽园迪吉轩目录序第十五版说明狭义与广义相对论浅说导读第一部分 狭义相对论1 几何命题的物理意义2 坐标系3 经典力学
23、中的空间和时间4 伽利略坐标系5 相对性原理(狭义)6 经典力学中所用的速度相加定理7 光的传播定律与相对性原理的表面抵触8 物理学的时间观9 同时性的相对性10 距离概念的相对性11 洛伦兹变换12 量杆和钟在运动时的行为13 速度相加定理 斐索实验14 相对论的启发作用15 狭义相对论的普遍性结果16 经验和狭义相对论17 闵可夫斯基四维空间第二部分 广义相对论18 狭义和广义相对性原理19 引力场20 惯性质量和引力质量相等是广义相对性公理的一个论据21 经典力学的基础和狭义相对论的基础在哪些方面不能令人满意22 广义相对性原理的几个推论23 在转动的参考物体上的钟和量杆的行为24 欧几
24、里得和非欧几里得连续区域25 高斯坐标26 狭义相对论的空时连续区可以当做欧几里得连续区27 广义相对论的空时连续区不是欧几里得连续区28 广义相对性原理的严格表述29 在广义相对性原理的基础上解引力问题第三部分 关于整个宇宙的一些考虑30 牛顿理论在宇宙论方面的困难31 一个“有限”而又“无界”的宇宙的可能性32 以广义相对论为依据的空间结构附录1. 洛伦兹变换的简单推导2. 闵可夫斯基四维空间(“世界”)3. 广义相对论的实验证实4. 以广义相对论为依据的空间结构5. 相对论与空间问题附录1. 自述2. 自述片段3. 以太和相对论4. 物理学中的空间、以太和场的问题5. 相对性： 相对论的
25、本质6. 论动体的电动力学7. 关于统一场论返回总目录序本书的目的，是尽可能使那些从一般科学和哲学的角度对相对论有兴趣而又不熟悉理论物理的数学工具的读者对相对论有一个正确的了解。本书假定读者已具备相当于大学入学考试的知识水平，而且，尽管本书篇幅不长，读者仍须具有相当大的耐心和毅力。作者力求以最简单、最明了的方式来介绍相对论的主要概念，并大体上按照其实际创生的次序和联系来叙述。为了便于明了起见，我感到不能不经常有所重复，而不去考虑文体的优美与否。我严谨地遵照杰出的理论物理学家玻耳兹曼的格言，即形式是否优美的问题应该留给裁缝和鞋匠去考虑。但是我不敢说这样已可为读者解除相对论中固有的难处。另一方面，
26、我在论述相对论的经验性物理基础时，又有意识地采用了“继母”式的做法，以便不熟悉物理的读者不致感到像一个只见树木不见森林的迷路人。但愿本书能为某些读者招致愉快的思考时间。爱因斯坦 1916年12月第十五版说明第十五版增加了一个附录附录(5)。在这个附录中阐述了我大体上对空间问题以及对我们的空间观如何在相对论观点影响下逐渐改变的看法。我想说明，空间-时间未必能看作是可以脱离物质世界的真实客体而独立存在的东西。并不是物体存在于空间中，而是这些物体具有空间广延性，这样看来，关于“一无所有的空间”的概念就失去了意义。爱因斯坦 1952年6月9日狭义与广义相对论浅说导读李醒民（中国科学院研究生院， 北京
27、100049）2005年是爱因斯坦创立狭义相对论100周年和逝世50周年。联合国大会把2005年定为“国际物理年”，德国、瑞士等国家也把2005年定为“爱因斯坦年”，以表达对爱因斯坦的纪念。阿尔伯特爱因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）是20世纪最伟大的科学家、思想家和人。作为科学家，他是19和20世纪之交物理学革命的发动者和主将，是现代科学的奠基者和缔造者。他的诸多科学贡献都是开创性的和划时代的。按照现今的诺贝尔科学奖评选标准，他至少应该荣获五六次物理学奖（狭义相对论、布朗运动理论、光量子理论、质能关系式、广义相对论，以及固体比热的量子理论、受激辐射理论、玻色-爱因
28、斯坦统计、宇宙学等）。爱因斯坦在物理学家心目中的威望和位置遥遥领先。据说，1999年12月，物理学世界（PhysicsWorld）杂志在世界第一流物理学家中间做了一次民意测验，询问在物理学中作出最重要贡献的五位物理学家的名字。在收到的表格上，共有61位物理学家被提及。爱因斯坦以119票高居榜首，牛顿紧随其后得96票。麦克斯韦（67）、玻尔（47）、海森伯（30）、伽利略（27）、费因曼（23）、狄拉克（22）和薛定谔（22）出现在前10名中。130位调查对象只有一人提名斯蒂芬霍金要知道，他可是当今全球知名度最高的科学家啊。作为思想家，爱因斯坦的以开放的世界主义、战斗的和平主义、自由的民主主义、
29、人道的社会主义为标志的社会政治哲学，以及远见卓识的科学观、别具只眼的教育观、独树一帜的宗教观，无一不是人类宝贵的思想遗产，它们将会成为21世纪“和平与发展”主旋律中的美妙音符，永远充当社会进步和文明昌盛的助推器。他的科学哲学是由五种要素温和经验论、基础约定论、意义整体论、科学理性论、纲领实在论构成的独特而绝妙的多元张力哲学。在这个兼容并蓄、和谐共存的哲学统一体中，这些不同的乃至异质的要素相互限定、珠联璧合，彼此砥砺、相得益彰，保持着恰如其分的“必要的张力”，从而显得磊落轶荡、气象万千。他的探索性的演绎法、逻辑简单性原则、准美学方法、形象思维等科学方法论别出机杼，所向披靡。他关于科学的客观性、可
30、知性、统一性、和谐性、因果性、简单性、不变性等的科学思想涵义深邃，意蕴隽永。它们是19和20 世纪之交科学哲学和科学方法论的巅峰以马赫、庞加莱、迪昂、奥斯特瓦尔德、皮尔逊为代表的批判学派之集大成和发扬光大，是现代哲学的思想奇葩和智慧结晶，从而在在哲学史和思想史上浓墨重彩地大书一笔，成为世人取之不尽、用之不竭的精神宝藏。爱因斯坦作为一个大写的人，他对生命的价值和人生意义的理解，他对真善美的不懈追求，他的独立的人格、仁爱的人性和高洁的人品，这一切形成了他的丰盈的人生哲学和道德实践，成为人类高山景行的楷模和人的自我完善的强大的精神力量。在某种意义上，作为人的爱因斯坦比作为科学家和思想家的爱因斯坦还要
31、伟大。当他活着的时候，全世界善良的人似乎都能听到他的心脏在跳动；当他去世时，人们不仅感到这是世界的巨大损失，而且也是个人的不可弥补的损失。这样的感觉和情愫是罕有的，一个自然科学家的生与死能在世人中间引起这样的感觉，也许在历史上还是头一次。说到此处，我蓦然想起宋人钱惟演的对竹思鹤。钱诗云：“瘦玉萧萧伊水头，风宜清夜露宜秋。更教仙骥旁边立，尽是人间第一流。”以此诗之意象隐喻爱因斯坦，岂不是神来之笔，惟妙惟肖！今年是爱因斯坦创立狭义相对论（写于1905年6月，发表于同年9月）100周年和逝世（1955年4月18日）50周年，联合国不失时机地把2005年定为“国际物理年”，德国、瑞士等国家也把2005
32、年定为“爱因斯坦年”，以表达对爱因斯坦的纪念。为纪念这位百年或千年难得一遇的世界伟人，北京大学出版社适逢其会地出版爱因斯坦的著作狭义与广义相对论浅说等，这既表达了对爱因斯坦的缅怀之心和铭感之情，更表明了继承和发扬他的思想遗产和精神菁华之意。一、 爱因斯坦的“幸运年”1905年，是爱因斯坦的“幸运年”。是年，晴空响霹雳，平地一声雷爱因斯坦在德国物理学杂志17卷发表了著名的“三合一”论文，当时他还是瑞士伯尔尼专利局的一个默默无闻的小职员。第一篇论文是关于光的产生和转化的一个启发性的观点，即光量子论文，写于1905年3月。爱因斯坦在其中大胆提出光量子假设：从点光源发出来的光束的能量在传播中不是分布在
33、越来越大的空间中，而是由个数有限的、局限在空间各点的能量子所组成，这些能量子能够运动，但不能再分割，只能整个地吸收或产生出来。从这一假设出发，他讨论和阐释了包括光电效应在内的9个具体问题。这篇论文的确是“非常革命的”，它使沉寂了4年之久的普朗克的辐射量子论得以复活，并拓展到光现象的研究之中。它直接导致了1924年德布罗意物质波的概念和1926年薛定谔波动力学的诞生。第二篇论文是热的分子运动论所要求的静液体中悬浮粒子的运动，即布朗运动论文，写于1905年5月。该论文指出古典热力学对于可用显微镜加以区分的空间不再严格有效，并提出测定原子实际大小的新方法。这直接导致佩兰1908年的实验验证，从而给世
34、纪之交关于原子实在性的旷日持久的论争最终画上句号。第三篇论文是论动体的电动力学，即狭义相对论论文，写于1905年6月。这篇论文并非起源于迈克耳孙-莫雷实验。它由麦克斯韦电动力学应用到运动物体上要引起似乎不是现象所固有的不对称作为文章的开篇，通过引入狭义相对性原理和光速不变原理两个公理以及同时性的定义，从而推导出长度和时间的相对性及其变换式，一举说明了诸多现象。紧接着在同年9月，爱因斯坦又完成了物体的惯性同它所含的能量有关吗？。这篇不足3页的论文，通过演绎，轻而易举地导出了质能关系式E =mc 2 ，得出“物体的质量是它所含能量的量度”的结论，从而叩开了原子时代的大门。狭义相对论的提出是物理学中
35、划时代的事件。它使力学和电动力学相互协调，变革了传统的时间和空间概念，揭示了质量和能量的统一，把动量守恒定律和能量守恒定律联结起来。它与10年之后创立的广义相对论，在科学史上矗立了一座巍峨而永恒的丰碑，全面打开了物理学革命的新局面。海森伯曾经说过：“在科学史上，以往也许从来没有过一个先驱者像阿尔伯特爱因斯坦和他的相对论那样，在他在世时为那么多的人所知道，而他一生的工作却只有那么少的人能够懂得。然而，这个名声是完全有理由的。因为有点像艺术领域中的达芬奇或者贝多芬，爱因斯坦也站在科学的一个转折点上，而他的著作率先表达出了这一变化的开端，因此，看来好像是他本人发动了我们在本世纪上半期所亲眼目睹的这场
36、革命。”爱因斯坦的“三合一”论文是在8周内一气呵成的。当时他只是瑞士伯尔尼专利局一名默默无闻的小职员。奇迹是怎样发生的呢？“问渠那得清如许，为有源头活水来。”在叙述爱因斯坦创立狭义相对论之前，我们先回顾一下当时的科学背景以及先驱者们的工作，尤其是洛伦兹和庞加莱的贡献。二、 19世纪末的物理学状况从19世纪初光的波动说复活以来，物理学家一直对传光媒质以太议论不休，其中一个重要问题就是以太和可称量物质（特别是地球）的关系问题。当时，有两种针锋相对的观点。菲涅耳在1818年认为，地球是由极为多孔的物质组成的，以太在其中运动几乎不受什么阻碍。地球表面的空气由于其折射率近于1，因而不能或者只能极其微弱地
37、曳引以太，可以把地球表面的以太看作是静止的。斯托克斯认为菲涅耳的理论建立在一切物体对以太都是透明的基础之上，因而是不能容许的。他于1845年提出，在地球表面，以太与地球有相同的速度，即地球完全曳引以太。只有在离开地球表面某一高度的地方，才可以认为以太是静止的。由于菲涅耳的静止以太说能圆满地解释光行差现象（由于地球公转，恒星的表观位置在一年内会发生变化），因而人们普遍赞同它。假使静止以太说是正确的，那么由于地球公转速度是每秒30千米，在地球表面理应存在“以太风”。多年来，人们做了一系列的光学和电学实验（即所谓的“以太漂移”实验），企图度量地球通过以太的相对运动。但是，由于实验精度的限制，只能度量
38、地球公转速度和光速之比的一阶量，这些一阶实验一律给出否定的结果。随着麦克斯韦电磁理论的发展，人们了解到，与地球公转速度和光速之比的平方有关的效应，应该能在光学和电学实验中检测到。因为麦克斯韦理论隐含着，光、电现象有一个优越的参照系，这就是以太在其中静止的参照系，以太漂移的二阶效应理应存在。但是这个实验精度要求太高，一时还难以实现。其实，麦克斯韦早在1867年就指出，在地球上做测量光速的实验时，因为光在同一路径往返，地球运动对以太的影响仅仅表现在二阶效应上。1879年，麦克斯韦在致美国航海历书事务所的信中就提出了度量太阳系相对以太运动速度的计划，当时在事务所工作的迈克耳孙采纳了这一建议。1881
39、年，迈克耳孙正在德国柏林亥姆霍兹手下留学。由于在柏林无法完成实验，迈克耳孙把别人为他建造的整个装置运到波茨坦天体物理观测站进行实验。他所期望的位移是干涉条纹的0.1，但实际测得的位移仅仅是0.0040.005，这只不过相当于实验的误差而己。显然，否定结果（也称“零结果”）表明，企图检测的以太流是不存在的。迈克耳孙面对事实不得不认为：“静止以太的假设被证明是不正确的，并且可以得到一个必然的结论：该假设是错误的”，“这个结论与迄今被普遍接受的光行差现象的解释直接矛盾”，“它不能不与斯托克斯1846年在哲学杂志发表的论文附加摘要相一致”。不过，这次实验的精度还不够高，数据计算也有错误。1881年冬，
40、巴黎的波蒂埃指出了计算中的错误（估计的效果比实际大了两倍），洛伦兹在1884年也指出了这些问题。因此，无论迈克耳孙还是其他人，都没有把这次实验看做是决定性的。迈克耳孙本人此后也将兴趣转移到了精密测定光速值上，对1881年的实验进行改良的工作就这样搁置下去了。1884年秋，威廉汤姆孙访问美国，他在巴尔的摩作了多次讲演。到会听讲的迈克耳孙有机会会见了与汤姆孙一起访美的瑞利勋爵，他们就1881年的实验交换了意见。与此同时，瑞利也转达了洛伦兹的意见。瑞利的劝告给迈克耳孙以极大的勇气，他进一步改进了干涉仪，和著名的化学教授莫雷一起，于1887年7月在克利夫兰重新进行了实验，此时的迈克耳孙已是克利夫兰城凯
41、思应用科学院的教授了。为了维持稳定，减小振动的影响，迈克耳孙和莫雷把干涉仪安装在很重的石板上，并使石板悬浮在水银液面上，可以平稳地绕中心支轴转动。为了尽可能增大光路，尽管干涉仪的臂长已达11米，他们还是在石板上安装了多个反射镜，使钠光束来回往返8次。根据计算，这时干涉条纹的移动量应为0.37，但实测值还不到0.01。迈克耳孙和莫雷认为，如果地球和以太之间有相对运动，那么相对速度可能小于地球公转速度的1/60，肯定小于1/40。他们在实验报告中说：“似乎有理由确信，即使在地球和以太之间存在着相对运动，它必定是很小的，小到足以完全驳倒菲涅耳的光行差解释。”1887年实验的否定结果让当时的每一个人都
42、迷惑不解，而且在很长一段时间内依然如故。人们并没有认为该实验是判决性的，就连迈克耳孙自己也对结果大失所望。他称自己的实验是一次“失败”，以致放弃了在实验报告中许下的诺言(每五天进行六小时测量，连续重复三个月，以便消除所有的不确定性)，不愿再进行长期的观察，而把干涉仪用于其他实验去了。迈克耳孙并不认为自己的实验结果有什么重要意义，他觉得实验之所以有意义，是因为设计了一个灵敏的干涉仪，并以此自我安慰。直到晚年，他还亲自对爱因斯坦说，他自己的实验引起了相对论这样一个“怪物”，他实在是有点懊悔的。洛伦兹对迈克耳孙实验的结果也感到郁郁不乐，他在1892年写给瑞利的信中说：“我现在不知道怎样才能摆脱这个矛
43、盾，不过我仍然相信，如果我们不得不抛弃菲涅耳的理论，我们就根本不会有一个合适的理论了。”洛伦兹对1887年的实验结果依然疑虑重重：“在迈克耳孙先生的实验中，迄今还会有一些仍被看漏的地方吗？”瑞利在1892年的一篇论文中认为：“地球表面的以太是绝对的静止呢，还是相对的静止呢？”这个问题依然悬而未决。他觉得迈克耳孙得到的否定结果是“一个真正令人扫兴的事情”，并敦促迈克耳孙再做一次实验。威廉汤姆孙直到本世纪开头还不甘心实验的否定结果。顺便说说，迈克耳孙的实验工作和爱因斯坦的相对论在历史上并无什么直接联系。但是在1900年前后，他的“以太漂移”实验对洛伦兹等人的电子论却产生了毋庸置疑的影响。尽管学术界
44、对该实验的历史作用仍有不同的看法，但迈克耳孙本人晚年仍念念不忘“可爱的以太”。直到1927年，他在自己最后一本书中谈到相对论已被人们承认时，仍然对新理论疑虑重重。迈克耳孙-莫雷实验似乎排除了菲涅耳的静止以太说，而静止以太说不仅为电磁理论所要求，而且也受到光行差现象和斐索实验的支持。为了摆脱这个恼人的困境，斐兹杰拉德和洛伦兹分别在1889年和1892年各自独立地提出了所谓的“收缩假设”。他们认为，由于干涉仪的管在运动方向上缩短了亿分之一倍的线度，这样便补偿了地球通过静止以太时所引起的干涉条纹的位移，从而得到了否定的结果。洛伦兹基于电子论进而认为，这种收缩是真实的动力学效应，对于物质来说具有普遍意
45、义。拉摩也十分赞同这一看法，他证明如果物质由电子组成，这种情况便能够发生。三、 狭义相对论的先驱：洛伦兹和庞加莱洛伦兹是于1892年11月在荷兰阿姆斯特丹科学院提出收缩假说的。他是荷兰物理学家，21岁就获得博士学位，精通法、德、英文。他在解释了迈克耳孙实验的否定结果时认为：“初看起来，这个假设似乎不可思议，但我们不能不承认，这绝不是牵强附会的，只要我们假定分子力也像电力和磁力那样通过以太而传递（至于电力和磁力，现在可以明确地作这样的断言），平移很可能影响两个分子或两个原子之间的作用，其方式有点类似于荷电粒子之间的吸引与排斥。既然固体的形状和大小最终取决于分子作用的强度，因此物体大小的变化也就会
46、存在。”在提出收缩假说后，洛伦兹进一步探讨了以太和地球相对运动对其他电磁现象和光现象的影响问题。1895年，他发表了“运动物体中电磁现象和光现象的理论研究”。在这篇论文中，他不仅进行了个别的讨论，而且证明了普遍保证一阶效应不能显示出来的状态对应定理：“设在静止参照系中存在着以x ，y ，z ，t 为变数表示的电磁状态，那么在具有同样物理构造并以v 运动的参照系中，以相对坐标x ，y ，z 和当地时间t 为独立变数的同样的函数所表示的电磁状态也必定存在。”现在看来，这个定理在一次近似下表示了洛伦兹协变性。可是，洛伦兹当时并无此意，当地时间只不过是为了数学上的方便而引入的辅助变数而已。1895年的
47、理论仅仅是完成了一次近似，用它还不能说明迈克耳孙实验。用收缩假说虽然可使矛盾得以解决，但是该假说和他的理论体系并没有本质的联系。因此，洛伦兹努力提高对应态定理适用范围的阶数，企图使它成为一个严密的定理。庞加莱的中肯批评和后来的两个实验加快了洛伦兹的工作进程。1900年，庞加莱在巴黎召开的国际物理学会议上作了“实验物理学和数学物理学的关系”的讲演。在这篇讲演中，他特别谈到，洛伦兹理论是现存理论中最使人感到满意的理论，但是也有修正的必要。他认为，假使为了解释迈克耳孙实验的否定结果，需要引入新的假说，那么每当出现新的实验事实时，也同样有这种需要。毫无疑问，对于每一个新的实验结果创立一种特殊假说，这种
48、作法是不自然的。假使能够利用某些基本假定，并且不用忽略这种数量级或那种数量级的量，来证明许多电磁作用都完全与系统的运动无关，那就更好了。其实，庞加莱在1899年的一次讲话中就谈到这种看法。庞加莱的批评给洛伦兹指出了努力的方向，但促使他最后下决心改善先前理论的是瑞利、布雷斯以及特劳顿和诺布耳的实验。按照洛伦兹的收缩假说，假使物体在运动方向缩短，那么它的密度就会因方向而异，这样一来，透明体理应显示出双折射现象。瑞利在1902年做了实验，并未发现预期的现象。布雷斯在1904年重复了这个实验，依然得到否定的结果。按照同样的假说，如果使电容器的极板与地球运动方向成一角度，那么当给电容器充电时，应该存在使
49、电容器极板转向地球运动方向的力偶作用。可是在1903年，特劳顿和诺布耳把电容器固定在灵敏的扭秤上，这种扭秤的灵敏度足以测出该数量级的力偶矩，然而他们在实验中却没有观察到任何效应。洛伦兹面对事实，抱定彻底解决而不是近似解决所有问题的决心，经过重新努力，终于在1904年5月完成了题为“速度小于光速系统中的电磁现象”的论文。洛伦兹1904年的理论是以麦克斯韦方程和作用在电荷上的力（后来称为洛伦兹力）的表达式为基础的，其中麦克斯韦方程在相对于以太固定的参照系(x ，y ，z )中是成立的。他的目的是研究以匀速沿x轴方向运动的物理系统中所发生的电磁现象，以阐明该现象显示不出任何运动效应。他发现，利用原先
50、的方程和表达式在相对以太运动的参照系中处理问题是极为复杂的，为了避免不必要的麻烦，他作为一种数学技巧引入了新的变数相对坐标和当地时间。在定义了新的电位移矢量和磁场强度矢量后，他又假定了电荷密度和速度之间的变换式。他把新变数代入原方程之中，得到了带撇变数的新方程，它与原方程具有几乎相同的形式。就这样，洛伦兹在没有忽略所有各阶项的情况下得到了对应态定理。尽管洛伦兹事先声称，他的这篇论文是以“基本假定”而不是以“特殊假说”为基础的，但为了达到他的既定目标，还是采用了11个特殊假说。洛伦兹从他科学生涯一开始，就着手计划把菲涅耳关于以太和物质相互作用的思想与麦克斯韦电磁场理论以及韦伯、克劳修斯电的原子观
