爱因斯坦(8)

八

　　为此，他设计了一个使用两个热电偶的实验：用几面镜子，把来自同一个光源的光反射到两个不同的方向，一个与地球运动方向平行，另一个则方向相反。如果假设在两条光束之间存在能量差，那末就能用两个热电偶测出所产生的热量的差别，从而检测出地球相对于以太运动而引起的光速的变化。可是他的老师不支持他，他也没有机会和能力建造这种设备，事情就这样不了了之。后来，当他正在学校思考以太流的问题的时候知道了迈克尔逊实验的“零”结果。他很快意识到，如果承认迈克尔逊实验的“零”结果符合事实的话，那末认为地球相对于以太运动的想法就是不正确的，应该抛弃以太这个顽结。

　　但是，如果没有以太充满整个宇宙空间，也就不可能有什么绝对的静止和绝对的运动了，因为物体不可能相对于虚无运动。所以他认为，只能是谈一个物体相对于另一个物体，或者一个参照系相对于另一个参照系的相对运动。处于这两个参照系中的观察者都有同等的权利说：“我是静止的，对方在运动。”如果没有宇宙以太作为物体在空间中运动的公共参照系，我们就无法探测到这一运动。所以迈克尔逊的实验没有探测到地球相对于以太的运动，也就不足为奇了。

　　迈克尔逊—莫雷实验的“零”结果也震动了当时的物理界。物理学家们提出了各种各样的假说企图解释这一奇怪的结果。但是各种解释都不能令人满意，许多人仍然坚信以太的存在，迈克尔逊本人也是如此，洛伦兹也是如此。据说迈克尔逊一直到临死还因他未能找到以太而深感遗憾。洛伦兹用修补的方法来挽救旧理论，他取消了以太的其它各种力学性质，但却留下了以太惟一的性质即不动性，仍赋予与以太相对静止的坐标系以特殊优越的地位。这位荷兰物理学家于1892年在阿姆斯特丹科学院提出了收缩假说，即认为迈克尔逊实验中，处于地球运动方向的

　　解释迈克尔逊—莫雷实验的结果。同时推论，所有固体穿过静止以太时，都会在运动方向上产生同样比例的收缩。在后来的工作中，洛伦兹又人为地引进了“当地时间”这个辅助量，建立了从静止的以太坐标系到其它惯性坐标系的变换式，即著名的洛伦兹变换式，不过他并不理解这个变换式的物理意义。彭加勒、拉摩、伏格特等人也提出了一些接近于相对论的重要思想。

　　正当洛伦兹和彭加勒等人在为解决迈克尔逊—莫雷疑难而纷纷提出各种假说和观点时，爱因斯坦也在他那伯尔尼专利局的办公室中思考着电磁现象和光学中的疑难。即使推着婴儿车在伯尔尼的街上慢慢行走，他也在想着问题，时不时地停下来掏出几张纸片，匆匆记下一些符号和数字，又塞进口袋中去。除了看过洛伦兹1895年写的一篇论文之外，他对彭加勒等人的工作几乎一无所知。他在走着一条自己的路。

　　爱因斯坦在工业大学上学时，最使他着迷的就是麦克斯韦理论。当时老师在课堂上并不讲授这些内容，因此他除了在物理实验室外，其余时间就通过亥姆霍兹、玻耳兹曼、赫兹等人的著作如饥似渴地学习麦克斯韦的理论。现在他发现，麦克斯韦电动力学即电磁场方程应用到运动的物体上时，就要引起一些不对称，也就是说，麦克斯韦方程在静止系中是正确的，而在相对于静止系匀速运动的系统中就不正确了。他曾花了不少时间企图修正麦克斯韦方程，可是没有取得成功。

　　他还试图用麦克斯韦和洛伦兹的电动力学方程来处理斐索关于菲涅耳拖动系数的实验，可是同样遇到了问题。他相信这些方程是正确的，它们恰当地描述了实验事实。他也相信，既然没有绝对静止，那末这些方程在运动参考系中应当和在所谓静止参考系中一样有效，可这样会导致光速不变的概念。而这个概念又和力学中使用的速度相加定律相矛盾。为什么这两个概念相互矛盾呢？问题在什么地方呢？他觉得这个问题解决起来很难，几乎用了一年时间，他试图解决这个问题，但一无所得。

　　对于洛伦兹等人提出的收缩假说，爱因斯坦认为，它们是以承认存在一种静止的不动的光以太为基础，而且引进这种假说虽然可以在形式上消除理论同迈克尔逊—莫雷实验的矛盾，但是这看来只是一种拯救理论的人为方法。他不满意这种做法。他认为，迈克尔逊实验等这一类企图证实地球相对于以太运动的实验的失败是必然的。同时，他相信麦克斯韦和洛伦兹的电动力学方程式是正确的，因为不存在什么绝对静止，绝对静止这个概念不仅在力学中，而且在电动力学中也不符合现象的特性。倒是应当认为，凡是对力学方程适用的一切坐标系，对于电动力学和光学的定律也一样适用，这是一条基本的原理即相对性原理。同时，也应很自然地承认另一条原理，即光速不变原理。以这两条原理作为公设，再根据静体的麦克斯韦理论，他想，应该足以得到一个简单而又不自相矛盾的动体电动力学。可是怎样才能最后解决这个问题呢？

　　米歇尔·贝索是爱因斯坦在伯尔尼专利局的一位非常要好的同事和朋友。贝索在哲学、社会学、医学、技术、数学和物理学方面有渊博的知识，而且他具有接受新思想和给它增加某些非常重要的欠缺的线条的惊人能力。爱因斯坦称他是在全欧洲都找不到的“新思想更好的共振器”。有了什么问题，爱因斯坦很喜欢与贝索进行交锋和讨论。在一个非常晴朗而美好的日子，爱因斯坦带着他一直苦苦思索的问题去找贝索，他对贝索说：“最近我在研究一个困难的问题，今天找到这里来，是想和你一起攻破这个问题。”于是他和贝索讨论了这个问题的各个方面。第二天早晨起床时，突然一个思想的闪光飞过他的脑海，“对于一个观察者来说是同时发生的两个事件，可是对别的观察者来说，就不一定是同时的”。他抓住这一灵感经过仔细分析，终于找到了问题的关键。接着他又赶快到贝索那里，没有打招呼就直说：“谢谢你。这个问题我已经完全解决了。”

　　爱因斯坦最后解决问题的突破口是对时间概念的分析。他想到，时间是不可能绝对地定义的，在时间和信号速度之间一定存在着不可分割的联系。用这个新的概念，他才感觉到第一次有可能完全解决所有困难。他认为，为了摆脱困难，只需要准确地表述时间概念就行了。“需要认识的仅仅是人们可以把洛伦兹引进的，他称之为‘当地时间’这个辅助量直接定义为‘时间’。如果我们坚持上述时间的定义，并把伽利略的变换方程用符合新的概念的变换方程来代替，那么洛伦兹理论的基本方程就符合相对性原理了。这样，洛伦兹和斐兹杰惹的假说就像理论的必然结果”。在5个星期之内，他就完成了这篇光辉的论文《论动体的电动力学》。他建立了新的时间概念，从狭义相对性原理和光速不变原理出发，推出洛伦兹变换，顺利地创立了狭义相对论。在这之后，他又写了一篇论文《物体的惯性同它所含的能量有关吗？》，发表于同年的《物理学杂志》上。这项研究是对前一研究的一个重要补充，它导致了一个非常有趣的结论，这个结论为以后的原子能的利用奠定了理论基础。那末，狭义相对论告诉了我们什么呢？

　　空间和时间的统一性

　　自古以来，空间和时间都被看成是两个完全无关的独立实体，伟大的牛顿在其《自然哲学之数学原理》中写道：

　　绝对空间就其本性来说与外界任何事物毫无关系，它永远是同一的、不动的。

　　绝对的、起初的数学时间本身按其本性来说是均匀流逝的，与外界任何事物无关。

　　牛顿关于空间的定义暗示着对于空间中的运动存在一个绝对参照系，而他的时间定义则意味着存在一个绝对的计时系统。但是实验证明了光速的不变性，这就打破了绝对的空间和绝对的时间。

　　我们设想有一列很长的火车，以恒速在轨道上行驶（参见图2）。我们可以把铁路路基看作是一个特定的参考物体，在这列火车上旅行的人们也可以很方便地把火车当作刚性参照物体，他们参照火车来观察一切事件。因而，在铁路线上发生的每一个事件，也在火车上某一特定的地点发生。那么，我们考虑一下，对铁路路基来说是同时的两个事件（例如A、B两处雷击），对于火车来说是否也是同时的呢？

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